DE102005024272A1

DE102005024272A1 - Das Verfahren und die Einrichtung von der direkten Verwandlung des flüssigen anorganischen Energieträgers in die Elektroenergie auf der Basis der Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102005024272A1
Application number: DE102005024272A
Authority: DE
Inventors: Ilia Dalin; Evgeni Levotman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-11-30

Abstract

Auf solche Weise erfasst die vorgestellte Anmeldung einer Erfindung (das Verfahren und die Einrichtung von der direkten Verwandlung des flüssigen anorganischen Energieträgers in die Elektroenergie auf der Basis der Brennstoffzellen) die volle geschlossene Technologie und die Einrichtung für die Synthese, die Nutzung der Metallcarbonyle in chemischen Stromquellen, die Regeneration der Stoffe (Materie) und die Einrichtung für die nochmalige Nutzung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Klassen:

– Chemische Stromquellen und
– Anorganische Synthese

Anwendungsgebiete der Erfindung:

– die Energetik
– der Kraftfahrzeugbau
– Der Maschinenbau
– die chemische Industrie
– die Hüttenindustrie
– die Militärindustrie
– die Luftfahrt
– der Wassertransport
– die Ausrüstung und die Geräte(Bestecke) für die Arbeit im Kosmos
– der Gerätebau (zum Beispiel, die Schaffung der neuen Generation von Akkumulatoren und Batterien für Handys, verschiedene Computer usw.)

Die Erfindung bildet eine komplexe Technologie, eine Einrichtung für die Synthese des Energieträgers und für seine direkte Verwandlung in die Elektroenergie in einem Nutzungsobjekt (wie z.B. Elektromobil), und auch die Regeneration der Reaktionsprodukte und Materialien von den verbrauchten Quellen in einen Energieträger und in Einzelteile von neuen Quellen.
Als Energieträger werden die Metallkarbonyle benutzt.
Als das meist perspektivische ist Fe(CO)₅– Eisenpentacarbonyl anzusehen, weil es das einfachste Produkt aus der Sicht des Syntheseprozesses, der Kostenfrage und der Verbreitung des Rohstoffes (Eisen und Kohlenstoffverbindungen) und der Energiekapazität ist.
Gefrierpunkt = –21 °C
Siedepunkt = 105°C
Explosionssicher und untoxisch.
Die Verwandlung des Energieträgers in die Elektroenergie erfolgt in den „Brennstoffzellen" laut Schema: Metallkarbonyle – Sauerstoff in dem Filtrationsregime durch die porösen Elektroden.
Als Elektrolyt kann eine konzentrierte Lösung von Karbonaten (z.B. Natriumkarbonat, Pottasche usw.) benutzt werden.
Die theoretische Energiekapazität berechnet auf 1 L Inhalt von Eisenpentacarbonyl (gekürzt EPC) bei der Dichte 1,46 g/cm³ gleicht ungefähr 3,5 kWh/l.
Die Produkte der elektrochemischen Reaktion sind:

– Eisenpentacarbonyl (EPC)
– Reine Kohlendioxide

Bei Bedarf ist auch die Kondensation des Dioxides möglich.
Die Spannung auf der einzelnen Zelle ist ca. 1,34 V.
Es wird angeboten, die Batterie mit der Polarspannung von ca. 140 V (100 nacheinander verbundene Zellen) zu benutzen.
Die Verfahren und die Einrichtungen von der direkten Verwandlung eines Energieträgers in Elektroenergie auf der Basis der Brennstoffzellen auch bei den Automobilen, die mit „Brennstoffzellen" ausgerüstet sind, sind bereits bekannt.
Als Analogon wollen wir hier die folgenden zwei nennen, die in den Ausarbeitungen der letzten Jahre die größte Popularität erworben haben. (siehe die Patentliste):

1. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Quellen
2. Die Methyl-Alkohol-Quellen

Diese Methoden haben gewisse Nachteile, die eine weit umfassende Nutzung nicht ermöglichen.
Bei der Betrachtung des ersten Analogons ist es offensichtlich, dass:

a) es nicht möglich ist Wasserstoff kompakt zu bekommen und zu akkumulieren
b) die niedrige (schwache) Kennzeichnung der Stromdichte zu der Vergrößerung des Quellenvolumens führt.

Bei der Betrachtung des zweiten Analogons kann man folgendes erkennen:

a) Die Kompliziertheit und große Kosten der organischen Syntheseverfahren des Methylalkohols (in der Natur sehr selten vorhanden nur bei Trockensublemation des Holzes)
b) Der Methylalkohol ist ein Gift, das man auch in chemischen Labors sehr sorgfältig (unter Liter A) aufbewahren muss.
c) Bei der unvollständigen Anod-Oxidation bildet sich Ameisensäure, die unheimlich korrosionsfähig und chemisch aktiv ist.

Die Synthese des EPC
Die Materialien für die EPC-Synthese sind:
Eisen- oder Gusseisengranulen und der Graphitrohstoff mit der bestimmten Größe der Teilchen.

– Die metallischen Granulen können aus dem flüssigen Metall (in einem Hüttenkombinat) gewonnen werden mittels eines Zerstäubers oder nach dem Verfahren der Pulvermetallurgie usw.
– Die Graphitfraktion kann durch Ausmahlung, Durchsiebung oder Pressen gewonnen werden.

Die EPC-Synthese wird in der 3-Zonen mehrschichtigen (mehrstufigen) Reaktionskolonne durchgeführt („pseudosiedende Schicht" genannt).
In die erste – niedrigste Zone der Reaktionskolonne wird nur die Graphitfraktion und die Luft von unten zugeführt (s. Bild 1). Unter Einwirkung des aufsteigenden Stroms werden die Teilchen auf den „Tellern" in den Schwebezustand (Suspensionszustand) gebracht, aktiv durchgemischt und durchgebrannt mit Sauerstoffüberfluss und es bildet sich CO₂, in dem sie sich an tiefere „Teller" verlagern.
In die zweite Zone (Gasgenerator) wird die Graphitfraktion und der überhitzte Dampf zugeführt. In der „kochenden Schicht" verläuft die Reaktion der Entstehung des Generatorgases, dabei senkt sich die Temperatur auf 180–150°C.
Die Gesamt-Balance-Gleichung der termochemischen Prozesse, die in den I und II Zonen verlaufen, werden wie folgt dargestellt: 2C + 0,5O₂+ H₂O = 2CO + H₂ + 37 kJ
Das gewonnene Generatorgas ist mit Nytrogenium (Stickstoff) verdünnt, der mit den Reagenzien selber nicht reagiert und weitere Prozesse nicht verhindert.
In die dritte (die oberste Zone) wird Metallpulver zugegeben. Dieses Pulver wird in der „Schwebeschicht" mit Generatorgas reagieren. Dabei entsteht der gasförmige EPC und die Temperatur der Gasmischung sinkt auf 120°C.
Die Gasmischung aus der obersten Stufe der Reaktionskolonne wird in die Kühlanlage geliefert, wo EPC in eine Flüssigkeit kondensiert. Die Wasserstoff-Nytrogenium-Mischung wird in den stationären Wasserstoff-Sauerstoffzellen zwecks Verwandlung in Elektroenergie zugeführt.
Die Balancegleichung der dritten Zone und der Zelle (im Elektrochemischen Generator) lautet: Fe + 5CO + 5/2H₂ + 5/4O₂ = Fe(CO)₅ + 5/2H₂O + 165 Wh
Auf diese Weise wirkt Generatorgas:

– das Eisen wird mit Wasserstoff aufgelockert und führt zur Steigerung der Reaktionschnelligkeit bei der EPC Entstehung.
– Bei 1 Liter EPC Entstehung produziert sich 1,2 kWh Elektroenergie und dadurch entsteht die Möglichkeit zu utilisieren.

Berechnungen zeigen, daß eine Reaktionskolonne bei Gabariten von d = 6m und H = 30m Energieträger für 30.000.000 Autos produzieren kann.
Bei Entstehung obengenannter Energieträgermenge produziert sich ständig 1.000.000 kW Leistungstärke.
Bei EPC kondensation ist die Wassertemperatur im Kühler ≈ 20°C.
Der Druck von gesättigtem Dampf von EPC beträgt ≈ 28mm Hg.
Bei Gaszuführung nach der Kondensation in der stationär elektrochemischen Rekuperationsquelle, führt es zur Schädigung der obengenannten Stationärquellen (Eisenkarbonatablagerung) innerhalb 1000 Stunden ≈ 42 Tage und Nächte.
Energiequellen für Autos fallen nach 100.000 km Stand aus.
Deshalb sollte das Metallcarbonyle-Synthesesystem mit einer zusätzlichen Termodissationskontur für restliche Metallcarbonyle ausgerüstet sein – nach der Kondensation (s. Bild 1) wird das restliche Metallcarbonyle in die III Kolonnenzone zurückgeführt.
Termodissationstemperatur von EPC ≈ 205°C, Übergangsentalpie bis 10 kJ/Mol.
Direkte Verwandlung von EPC in Elektroenergie in elektrochemischen Quellen – Brennstoffzellen (z.B. bei Automobilen)
Die Verwandlung des flüssigen Energieträgers in Elektroenergie erfolgt in den Brennstoffzellen (s. Bild 2) laut Schema:
Eisenpentacarbonyl-Sauerstoff (Luft) im Filtrationsregime durch die porösen Elektroden.

Anode: poröse Eisenelektrode neutral zum Elektrolyt und Anodpolarisationsträger.
Katode: neutral poröse Elektrode, z.B. aus Graphit mit katalytischem Zusatz (neutral zum Elektrolyt und Anoden-Katoden Polarisation bis 2V).
Elektrolyt: konzentrierte Wasserlösung von Karbonaten alkalischer Metalle. (z.B. Natriumkarbonat, Pottasche usw.)

Im Filtrationsregime durch die Elektroden:

– an Anode – EPC
– an Katode – Sauerstoff (Luft)

Elektroden Reaktion:

– an Anode: Fe(CO)₅ + 12OH^– – 12e^– = Fe(CO)₃ + 6H₂O + 4CO₂
– an Katode: 6HO₂ + 3O₂ + 12e^– = 12OH^–
– Summarischer Charakter: Fe(CO)₅ + 3O₂ = FeCO₃ + 4CO₂

Veränderung Gibbs Potential:

– Fe(CO)₅: 665,1 + 30,1 = –695,2 kJ/Mol
– 3O₂: ...–0,00
– FeCO₃: ...–665,1 kJ/Mol
– 4CO₂: ... –394,38 × 4 = –1577,52 kJ

Im Gesamtergebnis: 1577,52 + 665,1 – 695,2 = 1547,42 kJ/Mol
Die theoretische Energieintensität der Energieträgr-EPC;
die Molekülmasse – M = 196 g/Mol, der Dichte – d = 1,46 g/cm³
1547,42 : 196 = 7,895 kJ/g = 2,193 Wh/g = 3,2 kWh/l
Theoretisch EMK der Energiequelle auf einer Zelle:
1547,42 : 96,500: 12 = 1,34V
Die Reaktion des aktiven Eisens auf der Anode ist ausgeschlossen.
Auf solche Weise bildet sich bei einer Geschwindigkeit des Autos von etwa 140 km/h, eine Arbeitsspannung auf einer Zelle von nicht weniger als 1,4V.

– Die Stromdichte auf die "sichtbare" Oberfläche der Elektrode – 4,0 A/dm². Im Startregime – bis zu 10 A/dm².
– Die Außenabmessungen der Elektrode – 1500 × 120 × 1,2 mm
– Die Zelldicke – 5 mm

Auf solche Weise gewährleistet die Energiequelle des Elektromobils eine konstante Leistung von 10 Kilowatt und im Startregime – 25 Kilowatt, die Außenabmessungen überschreiten nicht:
1500 × 130 × 500mm, das entspricht etwa 80 Liter.

– Der Tank für Energieträger, gewährleistend einen Minimallauf von 6000 Kilometer, soll die Außenabmessungen 1500 × 130 × 800 mm, das entspricht etwa 130 Liter, haben.
– Die allgemeine Masse der energetischen Baugruppe (Einheit) überschreitet 250 Kilogramm nicht und passt sich leicht dem Bodenteil des Autos an.
– Die Größen der Energiequelle sind so ausgewählt, dass der Ersatz ungefähr alle zwei Jahre realisierbar ist.

Die Größen des Tanks sind ungefähr so berechnet, dass Tanken erforderlich ist etwa zwei Mal im Jahr. Für den Ersatz der Energiequelle und der Umschaltung sind nicht mehr als zehn Minuten erforderlich.
Die Konstruktion der Energiequelle stellt konstruktiv und elektrisch die aufeinanderfolgend gesammelten wiederholten Elemente (s. Bild 2) dar.
Die Elemente der Montage:

– der Block negativ (Eisen – Carbonyl) der Elektrode
– der Block positiv (Luft) der Elektrode
– der Kontaktrahmen (Empfohlener Graphitkugeldurchmesser – 2mm).
– der Distanzrahmen.

Die Montageelemente der Energiequellen kann man mit Thermoplast-Gussautomaten herstellen und der Montagemethode „Broschierung" durch Schweißen der Rahmen.
Das System der Öffnungen im Rahmen bildet Kollektoren, die die ungehinderte Verteilung der materiellen Ströme in der Energiequelle gewährleisten und zwar von:
Eisenpentacarbonyl, Luft, Elektrolyt.
Der wichtige Vorteil der angebotenen Energiequelle besteht darin, dass bei Zwischenladungen die Energetik Eisenpentacarbonyl auf 40 % steigt, also auch die Laufdauer des Autos. Außerdem wird die elektrische Leitungsfähigkeit der negativen Elektrode verbessert, so dass die summarisch positive Wirkung ungefähr 60% beträgt.
Das Wesen des Prozesses besteht im Folgenden:
Im Laufe der Ladung wird das Karbonat des Eisens bis zu dem aktiven Eisen, und bei der nachfolgenden Arbeitskategorie(Arbeitsentladung) zusammen mit Eisenpentacarbonyl wieder wiederhergestellt und geht in Karbonat über:
Die Ladung: FeCO₃→ Fe^o + CO₂ + ½O
Die Entladung:
Die vollständig abgearbeitete Energiequelle, das heißt äußerst verdickt an der Negativ Elektrode, wird neu ersetzt.
Regeneration der Energiequelle
Die abgearbeitete Energiequelle wird der Regeneration nach dem Schema (s. Bild 3) unterzogen:

– Die Ladung für die Wiederherstellung des Eisens
– Desintegration der Quelle auf den Hydromühlen
– Die Hydroscheidung gebildeter Suspension auf das Pulver aus drei Fraktionen: des Graphits, der Plaste, des Eisens.
– Die Rückgabe der erhaltenen Fraktionen: a). In die Produktion(Herstellung) der Elektroden für die Quellen, b). Die Synthese EPC.

Claims

Das Verfahren und die Einrichtung von der direkten Verwandlung des flüssigen anorganischen Energieträgers in Elektroenergie auf der Basis von Brennstoffzellen laut Schema: Metallcarbonyle-Sauerstoff (Luft) in dem Filtrationsregime durch die porösen Elektroden (Brennstoffzellen – kalter Verbrennungsprozess), kennzeichnen sich dadurch, dass: I. – Energieträger Metallcarbonyle benutzt werden (z.B. Elemente VIII. Gruppe laut Periodensystem). II. – die Metallcarbonyl-Synthese in der mehrschichtigen 3 – Zonen Reaktionskolonne durchgeführt wird (Pseudosiedenschicht). In der II. Zone der Reaktionskolonne sich Generatorgas produziert, das erleichtert den Syntheseprozess und ermöglicht die Umwandlung des Wasserstoffes in Elektroenergie. III. – die Energiequelle eine Schweißkonstruktion von Elektroden-Blöcken und Rahmen ist (Schweißtechnologie). IV. – in den Elektroden-Blöcken und Rahmen ein Lochsystem vorhanden ist, das nach dem Zusammenbau (Schweißtechnologie) die Verteilung des Energieträgers gleichmäßig durchlässt. V. – es die Möglichkeit gibt, in dem Zwischenzeitraum die Energiequelle (P.III.) aufzuladen, das führt zur Steigerung der energetischen Effektivität von Metallcarbonylen. VI. – die Energiequelle im Expluatationsregime (P. V.) als Inversion kein CO₂ hat. VII. – es möglich ist die ausgenutzte Energiequellen (ohne Ressourcen) regenerieren zu lassen. Nach der vollen Aufladung der Energiequelle und danach, z.B. wenn Hydroseparations Verfahren durchgeführt werden, ist es möglich, neue Elektroden zu produzieren und Energieträger zu synthesieren. VIII. – Kontaktrahmen durch ununterbrochene Termoplastgüsse entstehen, indem Graphitschrot (Graphitkugel) von bestimmter Granularität und chemischer Qualität verteilt wird.