CH401227A - Elektrode für Energiewandler mit thermisch ionisiertem Arbeitsgas - Google Patents

Description

  Elektrode für Energiewandler mit thermisch ionisiertem Arbeitsgas    Die Erfindung     betrifft    eine Elektrode für     Energie-          wandler    mit thermisch ionisiertem Arbeitsgas, ins  besondere für     magnetohydrodynamische    Generatoren  bzw. deren Umkehrung mit Verbrennungsprodukten  als Arbeitsgas.  



  Die konventionelle Art der Erzeugung elek  trischer Energie besteht darin, dass ein mechanisch  bewegter Leiter durch ein Magnetfeld     geführt    wird.  Dabei wird also die Energieumwandlung aus Wärme  in elektrische Energie über mechanische Energie  durchgeführt. Elektrische Energie kann auch beim  Durchführen von flüssigen Leitern durch ein Magnet  feld erzeugt werden. Um jedoch eine direkte     Energie-          umwandlung    von thermischer in elektrische     Energie     zu erreichen, ist es erforderlich, ein Gas zu verwen  den, um beträchtliche Volumenänderungen zu erzie  len, wie sie für die Erzeugung hoher Geschwindig  keiten erforderlich sind.

   Elektrische Energie lässt sich  im grosstechnischen Masstab mit     magnetohydrodyna-          mischen    Generatoren, nachfolgend     MHD-Generato-          ren    abgekürzt, bei gutem Wirkungsgrad gewinnen.  Ein     MHD-Generator    arbeitet mit     einem    ionisierten  Medium, das gewöhnlich ein Gas     ist,    wie es als ther  misch ionisiertes     Verbrennungsprodukt    entsteht. Zu  gabe eines     Alkalimetalls    als Saatmaterial erhöht die  Leitfähigkeit des Arbeitsgases. Das ionisierte Gas  wird dann durch ein     transversales        Magnetfeld    ge  führt.

   Entlang der Strömung des ionisierten Arbeits  gases sind Elektroden angeordnet, über die sich  Strom abnehmen lässt, der auf Grund der Bewegung  des elektrisch leitenden Gases im Magnetfeld entsteht.  



  Es lässt sich zeigen,     dass    es zu einem guten  Wirkungsgrad des     Arbeitskreises        erforderlich    ist, dass  das thermisch ionisierte Gas in einem Zustand hoher  Leitfähigkeit erhalten bleibt. Dazu muss das Arbeits  gas auf     Temperaturen    der Grössenordnung von    2500     OK    gehalten werden.

   Werden als     Arbeitsgas          Verbrennungsprodukte    verwandt, die einen     beachtli-          chen        Anteil        an        Sauerstoff,        eventuell    5     %,        sowie        auf     Grund der Dissoziation Kohlenoxyd und Wasser ent  halten, dann stellt die     Elektrodenbeständigkeit    ein  Problem dar, und zwar deshalb,     weil    die meisten       hochtemperaturbeständigen    Materialien, die elektri  sche Leiter sind,

   bei     Temperaturen    zwischen 2000  und 3000     OC    oxydiert werden. Eine Lösung     bestünde     in der Verwendung von     Oxydelektroden,    wie Kera  miken aus     Zirkonoxyd.    Dann wird es aber wegen  der     Stromübergangswiderstände    zwischen Elektroden  und Arbeitsgas schwierig, einem äusseren Kreis  Strom zuzuführen.  



  Dieselben Schwierigkeiten bestehen bei der     Aus-          nützung    des     magnetohydrodynamischen    Prinzips zur  Erzeugung hoher Gasgeschwindigkeiten, wobei ein       MHD-Generator    umgekehrt betrieben     wird.    Bei  Stromzuführung an den Elektroden wird     ein        heisses     Arbeitsgas beschleunigt. Ähnliche Materialprobleme  wie die geschilderten tauchen auch bei anderen  Energiewandlern, z. B. bei     thermionischen    Konver  tern, auf.  



  Der Erfindung     liegt    die Aufgabe zugrunde, für  alle diese Anwendungsgebiete eine Elektrode hoher  Lebensdauer zu     entwickeln,    die     einen    niedrigen       Stromübergangswiderstand        aufweist.    Die     Erfindung     besteht     darin,    dass die Elektrode auf der dem  Arbeitsgas zugewandten Seite einen gasdurchlässigen  Grundkörper aufweist und mit einem Versorgungs  aggregat für elektrisch leitendes Schutzgas verbunden  ist, das auf der     Oberfläche    des Grundkörpers eine  Schutzschicht     bildet.    Sie verhindert die Oxydation  der Elektrode.  



  Als Schutzgas kommen alle leitenden, nicht oxy  dierend wirkenden Gase     in    Frage. Die Wirkung der      oxydierenden Atmosphäre des Arbeitsgases lässt sich  durch reduzierende Zusätze im Schutzgas bei Bedarf  weiter erniedrigen. Bei einem Grundkörper aus iso  lierendem Material kann die Stromabnahme über das  leitende Schutzgas und eine vor dem Arbeitsgas  geschützt angeordnete     Abnahme-Elektrode    erfolgen.  Als Material für den Grundkörper kommen auch  solche Stoffe in Frage, die nur bei den Betriebstem  peraturen leitend bzw. nichtleitend sind. Mit der Elek  trode nach der Erfindung wird gleichzeitig das Kühl  problem der Elektroden gelöst.

   Dabei ist     zu    beachten,  dass das Schutzgas,     eventuell    unter Zusatz von Saat  material, auch bei tieferen Temperaturen als sie im  Arbeitsgas     auftreten,    gut leitend ist.  



  Ausführungsbeispiele der Elektrode nach der       Erfindung    werden nachfolgend anhand der Zeich  nung näher beschrieben. Sie sind in den Figuren mit  einem     MHD-Generator    als Anwendungsbeispiel sche  matisch dargestellt.  



       Fig.    1 zeigt schematisch den     Generatorkanal    eines       MHD-Generators    im Längsschnitt.  



       Fig.    2 bringt einen Querschnitt des Generator  kanals nach     Fig.    1 längs     11-II        genommen.     



       Fig.    3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Elek  trode gemäss der Erfindung, die parallel zur Strö  mung des Arbeitsgases im     Generatorkanal,    aufge  schnitten dargestellt ist.  



       Fig.    4 zeigt schematisch die Draufsicht auf die  Elektrode nach     Fig.    3.  



       Fig.    5 stellt im Längsschnitt ein anderes Aus  führungsbeispiel der Elektrode gemäss der Erfin  dung dar.  



       Fig.    6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der  Elektrode nach der Erfindung ebenfalls im Längs  schnitt.  



  In     Fig.    7 ist ein Querschnitt der Elektrode nach       Fig.    6 längs     VII-VII    nach     Fig.    6 genommen dar  gestellt.  



  In den     Fig.    1 und 2 ist ein typischer Kanal eines       MHD-Generators    wiedergegeben. Um den Kanal 1,  durch den das Arbeitsgas in Pfeilrichtung     geführt    ist,  sind     Elektrodenpaare    3, 5 und 7 aus elektrisch lei  tendem Material angeordnet. Sie werden durch einen  oberen     Isolierkörper    9 und einen unteren     Isolier-          körper    11 festgehalten. Durch die Isolierkörper 9 und  11 laufen elektrische Durchführungen von den Elek  troden zu einem äusseren nicht gezeigten Lastkreis.  Die isolierenden Seitenwände 13 und 15 bilden die  übrigen     Begrenzungswände    für den Kanal 1.

   Die  Magnetpole N und S zur Erzeugung eines Magnet  feldes B schliessen sich an die Wände 13 und 15 an.  Das Magnetfeld ist     transversal    zu dem durch den  Kanal 1 geführten Arbeitsgas gerichtet. Beim Durch  tritt durch das     transversale        Magnetfeld    B wird in dem  elektrisch leitenden Arbeitsgas ein Strom erzeugt, der  sich über die     Elektrodenpaare    3, 5 und 7 abneh  men lässt.  



  Die in den     Fig.    3 und 4 abgebildete Elektrode 10  hat eine stromabnehmende     Oberfläche    12, an der  das ionisierte Arbeitsgas     entlangströmt.    Es wird hier  angenommen, dass das Arbeitsgas aus Verbrennungs-         produkten    unter Zusatz eines     Alkalimetalls    als Saat  material besteht. Der Grundkörper 14 der Elektrode  10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material,  wie z. B. Graphit, oder einem hitzebeständigen  Metall, wie Wolfram oder     Tantal.    In den Grund  körper 14 der Elektrode ist eine Durchführung 16  eingeschraubt.  



  Die Durchführung 16 kann aus einem elek  trisch leitenden Material wie Wolfram oder     Tantal     bestehen. Durch     einen    Kanal 18 in der Durchfüh  rung 16 wird Schutzgas in Pfeilrichtung zugeführt.  



  Das Schutzgas kann z. B. aus Wasserstoff       bestehen,        dem    1     %        Kalium        als        Saatmaterial        zuge-          geben    ist. Ein solches Gas ist bei 2300 bis 2500 K  ein hinlänglich guter elektrischer Leiter. Andererseits  wäre Helium ein 2 1/s mal besserer elektrischer Leiter  als     Wasserstoff.    Da Helium jedoch ein Edelgas     ist,     würde es mit dem freien Sauerstoff im Arbeitsgas  nicht reagieren.  



  Das Schutzgas gelangt von der Durchführung 16  in einen     rohrförmigen    Teil 20 und von da in einen  Verteiler 22. Dann durchtritt das Gas die ver  schiedenen Röhren 24, 26, 28 und 30, die mit dem       Verteiler    22 verbunden sind und mit dem anderen  Ende stromaufwärts zum Arbeitsgas in den Kanal  münden. Durch eine Schicht aus Schutzgas zwi  schen der     Elektrodenoberfläche    12 und der Strö  mung des Arbeitsgases ist die Elektrode vor chemi  schen Angriffen durch den Sauerstoff im Arbeitsgas  geschützt.  



  Wasserstoff als Schutzgas verschiebt die Gas  zusammensetzung nahe der     Oberfläche    12 in Rich  tung Sauerstoffarmut. Wird andererseits Helium  verwendet, besteht die Schutzwirkung für die     Elek-          trodenoberfläche    12 darin, dass bei genügendem  Strömungsvolumen des     Heliums    die Diffusion des  Sauerstoffes zur     Elektrodenoberfläche    12 unterbun  den wird.     Verwendet    man Helium, ergibt sich der       Vorteil,    dass man unter angemessenem Zusatz von  Saatmaterial eine 21/2 mal bessere elektrische Leit  fähigkeit erhält.

   In beiden Fällen empfiehlt es sich,  das     Schutzgas    mit einem     Alkalimetalldampf    aus  Kalium,     Caesium    oder     Rubidium    als Saatmaterial  zur Erhöhung der Leitfähigkeit zu versetzen. Durch  die ständig     nachgelieferte        Schutzgasschicht    zwischen  Oberfläche 12 und Arbeitsgas erzielt man guten  elektrischen Stromübergang für den im Generator  kanal erzeugten Strom zu den Elektroden, bei gleich  zeitigem Schutz der     Elektrodenoberfläche    vor Zer  störung bzw. Verlust ihrer guten Eigenschaften.  



       Fig.    5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der  Elektrode nach der Erfindung. Die Elektrode 40 hat  einen Grundkörper 42, der aus porösem Material  besteht. Das poröse Material kann z. B. Wolfram  oder     Tantal    sein. Poröses Wolfram oder     Tantal    sind       gute    elektrische Leiter und gleichzeitig hoch tempe  raturbeständig. Eine     Abdeckhaube    44 ist durch  Schweissen oder andere Mittel mit dem porösen  Grundkörper 42 verbunden. Die     Abdeckhaube    44  hat eine Aussparung 46, so dass über dem Grundkör  per 42 ein Hohlraum entsteht. Die     Abdeckhaube    44      kann z. B. Wolfram oder ein anderes hitzebestän  diges Metall enthalten.

   Eine     Elektrodendurchfüh-          rung    48     ist    in die     Abdeckhaube    44 eingeschraubt.  Die Durchführung 48 kann z. B. aus massivem Wol  fram bestehen. Durch einen Kanal 50 in der     Elek-          trodendurchführung    48 ist eine Verbindung zum  Hohlraum 46 geschaffen. Dadurch kann ein Schutz  gas schon besprochener Art in Pfeilrichtung durch  den Kanal 50 in den Hohlraum 46 und von dort  durch den porösen Grundkörper 42 in die Strömung  des     Arbeitsgases    eintreten. Es bildet sich dann über  der Bodenoberfläche 52 des Grundkörpers 42 eine  schützende Gasschicht aus.

   Gleichzeitig wirkt diese  schützende Gasschicht bis zu einem gewissen Grade  als Kühlung der     Elektrodenoberfläche.     



  In den     Fig.    6 und 7 ist ein anderes Ausführungs  beispiel einer Elektrode nach der Erfindung darge  stellt. In diesen Figuren ist eine Elektrode 60 mit  einem Grundkörper 62 aus porösem Isoliermaterial  versehen. Der Grundkörper 62 kann z. B.     Zirkon-          oxyd,        Kalziumoxyd    oder     Magnesiumoxyd    enthalten.  Eine elektrisch leitende Abnahme-Elektrode 64 ist  auf dem Grundkörper 62 vor dem Arbeitsgas  geschützt angeordnet. Die Abnahme-Elektrode 64  kann z. B. Graphit, Wolfram,     Tantal    oder     Zirkon     enthalten.

   Der dem     Grundkörper    62 zugekehrte Teil  der Abnahme-Elektrode 64 zeigt im Querschnitt     eine          sägezahnförmige    Ausbildung. Dadurch entstehen in  Längsrichtung Aussparungen bzw. Kanäle 66, durch  die das Schutzgas freien Durchtritt hat. Ein Edelgas,  wie Argon oder Helium, wird von einem nicht  gezeichneten Versorgungsaggregat aus durch die       COffnung    68 in Pfeilrichtung     eingeführt.    Das Edelgas  durchströmt dann die Aussparungen 66. Das Schutz  gas ist durch Zugabe von     Alkalimetallen,    wie       Caesium    oder Kalium, leitend gemacht.

   Es tritt dann  durch die Poren oder Lücken in dem porösen Grund  körper 62 in die Strömung des Arbeitsgases     ein.     Wasserstoff könnte zur Kühlung verwendet werden,  aber die Edelgase sind bessere elektrische Leiter  und ihre Verwendung empfiehlt sich für dieses Aus  führungsbeispiel aus später ersichtlichen Gründen.  



  Die leitende Verbindung eines äusseren Strom  kreises mit dem Arbeitsgas wird hier nicht mit     Hilfe     des Grundkörpers erzielt, wie bei den vorhergehenden  Ausführungsformen, sondern durch den Fluss des  leitenden Schutzgases durch die Poren des Grund  körpers 62, der selbst nichtleitend ist. Der Strom  wird also über das     Schutzgas    und die     Abnahme-          Elektrode    64 abgenommen.  



  Anstelle von Helium oder Argon könnte mit       Caesium    oder Kalium versetztes Kohlenmonoxyd als  Schutzgas dienen. Darüber hinaus könnten auch  Verbrennungsprodukte, also das Arbeitsgas selbst,  das man dem Hauptstrom des Arbeitsgases an einer  Stelle     stromabwärts    entnimmt, als Schutzgas ver  wandt werden. Das dort entnommene     Arbeitsgas    hat  niedrigere Temperatur, und seine Sauerstoffkonzen  tration kann durch Kohlenstoff oder     metallhaltige          Brennstoffe    reduziert werden. Auch kann durch    Zugabe von     Alkalimetall    als Saatmaterial seine Leit  fähigkeit trotz niedrigerer Temperatur erhöht werden.  



  Wie in den     Fig.    6 und 7 ersichtlich, ist     die     Abnahme-Elektrode 64 vollständig von schützender  Atmosphäre umgeben und kann deshalb nicht oxy  diert werden. Das     Isoliermaterial    des Grundkör  pers 62 steht mit dem sauerstoffhaltigen Arbeitsgas  in direkter Berührung ;

   da     dieses    Material aber durch  einen Oxydationsvorgang nicht angegriffen wird, ist  der Schutz der Elektrode gewährleistet.     Das        durch     die     Öffnung    68 eingeführte Schutzgas, das dann die  Aussparungen 66 durchströmt, muss nach aus  reichendem Versatz mit     Alkalimetall    noch so     heiss     sein, dass seine Leitfähigkeit nicht unterhalb der des  Arbeitsgases liegt.  



  Ohne vom Wesen der     Erfindung    abzuweichen,  sind durch die Ausführungsbeispiele Anregungen für  weitere Konstruktionen gegeben. Es ist     verständlich,     dass     vielfältige    Variationsmöglichkeiten durch Aus  wahl der Materialien und ihrer     Formgebung    und der  Zusammensetzung des     Schutzgases    gegeben sind, die  es gestatten, die Elektrode nach der     Erfindung     den     besonderen    Problemen anderer Energiewandler         anzupassen.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrode für Energiewandler mit thermisch ioni siertem Arbeitsgas, insbesondere für magnetohydro- dynamische Generatoren mit Verbrennungsprodukten als Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode auf der dem Arbeitsgas zugewandten Seite einen gasdurchlässigen Grundkörper aufweist und mit einem Versorgungsaggregat für elektrisch leitendes Schutzgas verbunden ist, das auf der Oberfläche des Grundkörpers eine Schutzschicht bildet. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus elektrisch leitendem Material besteht und von einer Vielzahl kanalförmiger Aussparungen durchzogen ist. 2. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper elektrisch lei tend ist und parallel zur Strömung des Arbeitsgases gerichtete rohrförmige Aussparungen enthält, die gegen die Strömung geöffnet sind. 3. Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper porös ist und aus elektrisch leitendem Material besteht. 4.

   Elektrode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus Material besteht, das nur bei hohen Temperaturen elektrisch leitend ist. 5. Elektrode nach Patentanspruch, gekennzeich- net durch einen porösen Grundkörper aus elek trisch isolierendem Material und durch eine vor dem Arbeitsgas geschützt angeordnete Abnahme- Elektrode.