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Elektrode für Energiewandler mit thermisch ionisiertem Arbeitsgas
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Energiewandler mit thermisch ionisiertem
Arbeitsgas als Verbrennungsprodukt, insbesondere für magnetohydrodynamische Generatoren
oder Pumpen.
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Die konventionelle Art der Erzeugung elektrischer Energie besteht
darin, daß ein mechanisch bewegter Leiter durch ein Magnetfeld geführt wird. Dabei
wird also die Energieumwandlung aus Wärme in eleitrische Energie über mechanische
Energie durchgeführt. Elektrische Energie kann auch beim Durchführen von flüssigen
Leitern durch ein Magnetfeld erzeugt werden. Um jedoch eine direkte Energieumwandlung
von thermischer in elektrischer Energie zu erreichen, ist es erforderlich, ein Gas
zu verwenden, um beträchtliche Volumenänderungen zu erzielen, wie sie für die Erzeugung
hoher Geschwindigkeiten erforderlich sind. Elektrische Energie läßt sich im großtechnischen
Maßstab mit maRnetohydrodynamischen Generatoren, nachfolgend NIHD-Generatoren abgekürzt,
bei gutem Wirkungsgrad gewinnen. Ein MHD-Generator arbeitet mit einem ionisierten
Medium, das gewöhnlich ein Gas ist, wie es als thermisch ionisiertes Verbrennungsprodukt
entsteht. Zugabe eines Alkalimetalls als Saatmaterial erhöht die Leitfähigkeit des
Arbeitsgases. Das ionisierte Gas wird dann durch ein transversales Magnetfeld geführt.
Entlang der Strömung des ionisierten Arbeitsgases sind Elektroden angeordnet, über
die sich Strom abnehmen läßt, der auf Grund der Bewegung des elektrisch leitenden
Gases im Magnetfeld entsteht.
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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 Arbeitsgas auf Temperaturen der Größenordnung von
2500 'K gehalten werden. Werden als Arbeitsgas Verbrennungsprodukte verwandt,
die einen beachtlichen Anteil an Sauerstoff, eventuell SO/o, sowie auf Grund der
Dissoziation Kohlenoxid und Wasser enthalten, dann stellt die Elektrodenbeständigkeit
ein Problem dar, und zwar deshalb, weil die meisten hochtemperaturbeständigen Materialien,
die elektrische Leiter sind, bei Temperaturen zwischen 2000 und 30001 C oxydiert
werden. Eine Lösung bestünde in der Verwendung von Oxidelektroden, wie Keramiken
aus Zirkonoxid. Dann wird es aber wegen der Strontübergangswiderstände zwischen
Elektroden und Arbeitsgas schwierig, einem äußeren Kreis Strom zuzuführen.
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Dieselben Schwierigkeiten bestehen bei der Ausnützung des magnetohydrodynamischen
Prinzips zur Erzeugung hoher Gasgeschwindigkeiten, wobei ein NIHD-Generator als
Pumpe betrieben wird. Bei Stromzuführung an den Elektroden wird ein heißes Arbeitsgas
beschleunigt. Ähnliche Materialprobleme wie die geschilderten tauchen auch bei anderen
Energiewandlem, z. B. bei thermionischen Konvertern, auf.
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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 mit einem Versorgungsaggregat
für elektrisch leitendes Schutzgas verbunden ist und auf der dem Arbeitsgas zugewandten
Seite einen gasdurchlässigen Grundkörper aufweist. Das den gasdurchlässigen Grundkörper
durchströmende Schutzgas bildet dann eine Schutzschicht, die die Oxidation der Elektrode
verhindert.
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Als Schutzgas kommen alle leitenden, nicht oxidierend wirkenden Gase
in Frage. Die Wirkung der oxidierenden Atmosphäre des Arbeitsgases läßt sich durch
reduzierende Zusätze im Schutzgas bei Bedarf weiter erniedrigen. Bei einem Grundkörper
aus isolierendem Material kann die Stromabnahme über das leitende Schutzgas und
eine vor dem Arbeitsgas geschützt angeordnete Abnahme-Elektrode erfolgen. Als hiaterial
für den Grundkörper kommen auch solche Stoffe in Frage, die nur bei den Betriebstemperaturen
leitend bzw. nichtleitend sind. Mit der
Elektrode nach der Erfindung
wird gleichzeitig das Kühlproblein der Elektroden gelöst. Dabei ist zu beachten,
daß das Schutzgas, eventuell unter Zusatz von Saatmaterial, auch bei tieferen Temperaturen
als sie im Arbeitsgas auftreten, gut leitend ist. : .
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Die Elektrode nach der Erfindung soll an Hand der Zeichnung weiter
beschrieben werden. Sie ist in den Figuren mit einem MHD-Generator als Anwendungsbeispiel
schematisch dargestellt.
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F i g. 1 zeigt schematisch den Generatorkanal eines MHD-Generators
im Längsschnitt; F i g. 2 bringt einen Querschnitt des Generatorkanals nach
F i g. 1, längs II-II genommen; - -
F i g. 3 zeigt ein
Ausführungsbeispiel der Elek-.-trode gemäß der Erfindung, die parallel zur Strömung
des Ar'Uäitsgäses :im Generatorkanal, aufgeschnitten dargestellt ist; F i
g. 4 zeigt schematisch die Draufsicht auf die Elektrode nach F i
g. 3; -
F i g. 5 stellt im Längsschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel
der Elektrode gemäß der - Erfindung dar; F i g. 6 zeigt ein weiteres
Ausführungbeispiel der Elektrode nach der Erfindung ebenfalls im Längsschnitt; in
F i g. 7 ist ein Querschnitt der Elektrode nach F i g. 6, längs VII-VII
nach F i g. 6, genommen dargestellt.
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hi den F i g. 1 und 2 ist der Kanal eines h1HD-Generators wiedergegeben.
Um den Kanal 1, durch den das Arbeitsg.as in Pfeilrichtung geführt ist, sind
Elektrodenpaare 3, 5 und 7 aus elektrisch leitendem Material angeordnet.
Sie werden durch einen oberen Isolierkörper 9. und einen unteren Isolierkörper
11
festgehalten. Durch die Isolierkörper 9 und 11 laufen elektrische
Durchführungen von den Elektroden 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
Magnetfeldes B schließen sich an die Wände 13 und 15 an. Das Magnetfeld
ist transversal zu dem durch den Kanal 1
"eführten 01 Arbeitsgas gerichtet.
Beim Durchtritt durch das transversale Magnetfeld B wird in dem elektrisch leitenden
Arbeitsgas ein Strom erzeugt, der sich über die Elektrodenpaare 3, 5 und
7 abnehmen läßt.
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Die in den F i g. 3 und 4 abgebildete Elektrode 10
hat
eine stromabnehmende Oberfläche 12, an der das ionisierte Arbeitsgas entlangströmt.
Es wird hier an-genommen, daß das Arbeitsgas aus Verbrennungsprodukten unter
Zusatz eines Alkalimetalls als Saatmaterial 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 Grundkörper 14 der
Elektrode ist eine Durchführung 16 eingeschraubt. Die Durchführung
16 kann aus einein elektrisch leitenden Material wie Wolfram oder Tantal
bestehen. Durch einen Kanal 18 in der Durchführung 16 wird Schutzgas
in Pfeilrichtung zugeführt.
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Das Schutzgas kann z. B. aus Wasserstoff bestehen, dem 1 %
Kalium als Saatinaterial zugegeben ist. Ein solches Gas ist bei 2300 bis
2500' K ein hinlänglich guter elektrischer Leiter. Andererseits wäre Helium
ein zweieinhalbmal 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 verschiedenen 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 zwischen der Elektrodenoberfläche 12 und der Strömung des Arbeitsgases
ist die Elektrode vor chemischen Angriffen durch den Sauerstoff im Arbeitsgas geschützt.
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Wasserstoff als Schutzgas verschiebt die Gaszusammensetzung nahe der
Oberfläche 12 in Richtung Sauerstoffarmut. Wird andererseits Helium verwendet, besteht
die Schutzwirkung für die Elektrodenoberfläche 12 darin, daß bei genügendem Strömungsvolumen
des Heliums die Diffusion des- Sauerstoffes zur Elektrodenoberfläche 12 unterbunden
wird » Verwendet man Helium, ergibt sich der Vorteil, daß man unter angemessenem
Zusatz von Saatmaterial- eine zweieinhalbmal bessere elektrische Leitfähigkeit erhält.
In beiden Fällen empfiehlt es sich, das Schutzgas mit einem Alkalimetalldampf aus
Kalium, Caesium oder Rubidium als Saatmaterial zur Er# Ahung der Leitfähigkeit zu
versetzen. Durch die ständig nachgelieferte Schutzgasschicht zwischen Oberfläche
12 und Arbeitsgas erzielt man guten elektrischen Stromübergang für den im Generatorkanal
erzeugten Strom zu den Elektroden bei gleichzeitigem Schutz der Elektrodenoberfläche
vor Zerstörung bzw. Verlust ihrer guten Eigenschaften.
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F i g. 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 temperaturbeständig.
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 Grundkörper
42 ein Hohlraum entsteht. Die Abdeckhaube 44 kann z. B. Wolfram oder ein anderes
hitzebeständiges Metall enthalten. Eine Elektrodendurchführung 48 ist in die Abdeckhaube
44 eingesehraubt. Die Durchführung 48 kann z. B. aus massivem Wolfram bestehen.
Durch einen Kanal 50 in der Elektrodendurchführung 48 ist eine Verbindung
zum Hohlraum 46 geschaffen. Dadurch kann ein Schutzgas 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.
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In den F i g. 6 und 7 ist eine andere Elektrode nach
der Erfindung dargestellt. In diesen Figuren ist eine Elektrode 60 mit einem
Grundkörper 62 aus porösem Isoliermaterial versehen. Der Grundkörper
62 kann z. B. Zirkonoxid, Kalizumoxid oder Magnesiumoxid 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
Abnahnie-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 Öffnung 68 in Pfeilrichtung
eingeführt. Das Edelgas durchströmt dann die Aussparungen 66. Das Schutzgas
ist durch Zugabe von Alkalimetallen, wie Caesium oder Kalium, leitend gemacht. Es
tritt dann durch die Poren oder Lücken in dem porösen Grundkörper 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 Ausführungsbeispiel aus später ersichtlichen Gründen.
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Die leitende Verbindung eines äußeren Stromkreises 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 Grundkörpers
62, der selbst nichtleitend ist. Der Strom wird also über das Schutzgas und
die Abnahme-Elektrode 64 abgenommen.
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An Stelle von Helium oder Argon könnte mit Caesium oder Kalium versetztes
Kohlenmonoxid 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 verwandt werden. Das dort entnommene Arbeitsgas
hat niedrigere Temperatur, und seine Sauerstoffkonzentration kann durch Kohlenstoff
oder metallhaltige Brennstoffe reduziert werden. Auch kann durch Zugabe von Alkalimetall
als Saatmaterial seine Leitfähigkeit trotz niedrigerer Temperatur erhöht -werden.
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Wie in den F i g. 6 und 7 ersichtlich, ist die Abnahme-Elektrode
64 vollständig von schützender Atmosphäre umgeben und kann deshalb nicht oxidiert
werden. Das Isoliermaterial des Grundkörpers 62 steht mit dem sauerstoffhaltigen
Arbeitsgas in direkter Berührung; da dieses Material aber durch einen Oxidationsvorgang
nicht angegriffen wird, ist der Schutz der Elektrode gewährleistet. Das durch die
öffnung 68 eingeführte Schutzgas, das dann die Aussparungen 66 durchströmt,
muß nach ausreichendem 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 Auswahl 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.