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Thermoelectric Generator Integration for Autonomous Heating Systems on Maritime Vessels

Ziolkowski, Pawel und Rink, Nils und Fey, Arno und Schmidt, Patrick und Singh, Baljinder und Kinias, C und Müller, Wolf Eckhard (2024) Thermoelectric Generator Integration for Autonomous Heating Systems on Maritime Vessels. ICT2024, 2024-06-30 - 2024-07-04, Krakau.

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105kB

Kurzfassung

Alternative thermoelectric materials that can substitute the commercially dominant bismuth telluride technology are highly desirable for heat conversion and thermal management applications. Magnesium silicide based solid solutions Mg2X (X = Si, Ge, Sn) are among the most promising thermoelectric (TE) materials due to very good thermoelectric properties, low cost of raw materials and environmental compatibility. We have demonstrated technological maturity with prototypes of p- and n-type Mg2X and p-MgAgSb/n-Mg2X, the latter reaching conversion efficiencies > 6.5% and power densities of ~1 W/cm2, comparable in performance to commercial bismuth telluride modules. However, stable thermoelectric properties are of utmost importance for successful large-scale application. Intrinsic defects like Mg interstitials and Mg vacancies affect the properties of Mg2X significantly, therefore Mg diffusion is a potential concern here. Annealing experiments and in-situ measurements at high temperature show that degradation of Mg2X is a two-step process, where in the first step loosely bound excess Mg sublimates from the surface, reducing the charge carrier concentration, and only in the second step, after the solubility limit of Mg vacancies has been reached, Mg2X decomposes into other phases. Variation of the annealing temperature allows us to develop a kinetic model which can be used to predict material stability at different application temperatures, we also find indications that this process can be decelerated by sealing of the surfaces. Furthermore, we find that diffusion phenomena are relevant even at room temperature, changing the thermoelectric properties on a scale of months to years if stored under laboratory atmosphere. Microstructural investigations by SEM, EDX and AFM indicate that the observed changes are related to Mg diffusion inside the material, in line with conclusions from high temperature experiments. They furthermore show that the diffusion constant is approximately independent of the Si:Sn ratio of the material. Comparison of different microscopic mechanisms of bulk diffusion by first-principles calculations reveals that Mg transport via Mg vacancies is the most relevant mechanism and the increase in vacancy density explains the experimentally observed faster change of Sn-rich Mg2X.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/210930/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Poster)
Titel:Thermoelectric Generator Integration for Autonomous Heating Systems on Maritime Vessels
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Ziolkowski, PawelPawel.Ziolkowski (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rink, NilsIsabellenhütte Heusler GmbH & Co. KGNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fey, ArnoIsabellenhütte Heusler GmbH & Co. KGNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmidt, PatrickPatrick.Schmidt (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Singh, Baljinderbaljinder.singh (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kinias, CNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, Wolf EckhardEckhard.Mueller (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:30 Juni 2024
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Thermoelektrik
Veranstaltungstitel:ICT2024
Veranstaltungsort:Krakau
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:30 Juni 2024
Veranstaltungsende:4 Juli 2024
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: Rossmeier, Matthias
Hinterlegt am:09 Jan 2025 09:10
Letzte Änderung:09 Jan 2025 09:10

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