Johnson thermoelektrischer Energiewandler - Johnson thermoelectric energy converter
Ein thermoelektrischer Energiekonverter oder JTEC von Johnson ist eine Art Festkörper- Wärmekraftmaschine , die die elektrochemische Oxidation und Reduktion von Wasserstoff in einem zweizelligen thermischen Zyklus nutzt, der dem Ericsson-Zyklus nahekommt . Es wird derzeit als Alternative zu herkömmlichen Photovoltaikzellen untersucht. Lonnie Johnson hat es erfunden und behauptet, dass der Konverter einen Energieumwandlungswirkungsgrad von bis zu 60% aufweist, verglichen mit dem für die besten Photovoltaikzellen typischen Wirkungsgrad von 30%. Diese Behauptung liegt jedoch auf einem theoretischen Niveau, das auf einem Vergleich mit einem Carnot-Zyklus basiert, und geht von einem Temperaturgradienten von 600 ° C aus. Es wurde ursprünglich zur Finanzierung des Office of Naval Research vorgeschlagen, aber abgelehnt. Johnson erhielt später eine Finanzierung, indem er den Motor als Wasserstoff-Brennstoffzelle einrahmte. Johnson arbeitet bei der Entwicklung des Motors mit PARC zusammen .
Wirkmechanismus
Der JTEC wandelt Wärme durch Komprimieren und Expandieren von Wasserstoffgas in elektrische Energie um. Es arbeitet als geschlossenes System ohne bewegliche klassische mechanische Teile, benötigt keinen Kraftstoffeintrag und erzeugt kein Abgas. Der Motor besteht aus zwei Stufen: einer Niedertemperatur- Kompressionsstufe und einer Hochtemperatur- Leistungsstufe . Jede Stufe besteht aus einer Arbeitsfluidkammer, die eine mit Kupfer ausgekleidete Membranelektrodenanordnung (MEA) halbiert. Eine MEA ist eine proprietäre keramische Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist.
In der Hochtemperatur-Leistungsstufe wandelt die Expansion von Hochdruckwasserstoff aus der Kompressionsstufe die Wärmeenergie über die MEA in elektrische Energie um. Wenn der Hochtemperatur-Hochdruckwasserstoff durch die PEM gedrückt wird, wird er ionisiert und erzeugt Protonen und Elektronen . Die Protonen passieren die Membran, während die Elektroden die Elektronen durch eine Last ausstoßen. Nach dem Durchgang durch die PEM rekombinieren die Protonen mit den Elektronen, um Niederdruckwasserstoffgas zu erzeugen, das zur Kompressionsstufe ausströmt. Aus Sicht der Hochtemperaturstufe besteht die Last aus der externen Belastung des Motors und der Niedertemperatur-Kompressionsstufe. In der Kompressionsstufe wird elektrisches Potential an die MEA angelegt und zwingt Protonen, durch die PEM zu fließen, um Hochdruckwasserstoff zu erzeugen. Während sich der Wasserstoff zwischen den Stufen bewegt, passiert er einen Wärmetauscher , der die Effizienz erhöht, indem er dazu beiträgt, die Hochtemperaturstufe heiß und die Niedertemperaturstufe kühl zu halten.
Die Energiemenge, die der externen Last zur Verfügung steht, ist die Differenz des elektrischen Potentials zwischen der Energie, die zum Komprimieren von Wasserstoff bei niedriger Temperatur benötigt wird, und der Energie, die bei hoher Temperatur erzeugt wird. Im Gegensatz zu anderen Wärmepumpengeräten benötigt der JTEC eine anfängliche Eingabe elektrischer Energie, um die Kompressionsstufe zu starten und den Zyklus einzuleiten. Der Motor kann auch rückwärts betrieben werden, um elektrische Energie in eine Temperaturdifferenz umzuwandeln, beispielsweise in HLK-Anwendungen. In der vorgeschlagenen Anwendung würde die Sonneneinstrahlung die Leistungsstufe erwärmen und die Kompressionsstufe würde sich mit einem Kühlkörper bei Umgebungstemperatur verbinden .
Anwendungen
Die Skalierbarkeit des Motors führt seinen Entwickler Anspruch dass seine potentiellen Anwendungen von der Bereitstellung von Energie für reiche mikroelektromechanische Systeme (MEMS) auf , die als Großkraftwerken .
Der Konverter kann viele verschiedene Kraftstoffformen verwenden, ohne dass eine kraftstoffspezifische Anpassung erforderlich ist, wie dies bei Verbrennungsmotoren der Fall ist, und kann Strom aus Kraftstoffverbrennung, Sonneneinstrahlung, minderwertiger Abwärme aus der Industrie oder anderen Stromerzeugungssystemen wie Kraftstoff erzeugen Zellen, Verbrennungsmotoren oder Turbinen, da sie als externe Verbrennungsmotoren fungieren .