DE102008023945A1 - Converting heat into electrical energy during the continuous application of heat on working fluid, which occurs from the electrochemical reaction in the fuel cell using water-soluble electrolytes and bromine as oxygen carrier - Google Patents

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Abstract

Converting heat into electrical energy during the continuous application of heat on working fluid, which occurs from the electrochemical reaction in the fuel cell using water-soluble electrolytes and bromine as oxygen carrier, is claimed, where phosphorus tribromide is used as fuel during the electrochemical reaction, and forms phosphorus pentabromide as the result of the reaction.

Description

Die Erfindung wird auf die Weise der unmittelbaren Umwandlung der Energie der chemischen Reaktion in die Elektrizität mit dem geschlossenen Zyklus der Bildung des Arbeitsmittel aus den Produkten der elektrochemischen Reaktion mittels der thermischen Einwirkung auf sie von außen bezogen. Es sind die zahlreichen Einrichtungen der Umwandlung der Energie der chemischen Reaktion in die elektrische Energie bekannt. Zu ihnen können solche Quellen der Elektroenergie wie die Batterien und die Akkumulatoren ( RU 2316085 H01M12/08, RU 2006122332 B60K15/03, US 2002017895 A1 , US 5268242 und andere) bezogen werden.The invention is externally related in the manner of directly converting the energy of the chemical reaction into electricity with the closed cycle of the formation of the working fluid from the products of the electrochemical reaction by means of the thermal action on it. The numerous devices of the transformation of the energy of the chemical reaction into the electrical energy are known. To them such sources of electric power as batteries and accumulators ( RU 2316085 H01M12 / 08, RU 2006122332 B60K15 / 03 US 2002017895 A1 . US 5268242 and others).

Es sind auch die zahlreichen Brennstoffzellen bekannt, die mit der als hohen auch niedrigen Temperaturen arbeiten. Zugrunde ihrer Arbeit liegt die Umwandlung der Energie der Oxydierungsreaktion des Brennstoffes im Inneren der elektrochemischen Zelle mit der ständigen Abgabe von außen des Brennstoffes und des Oxydiermittels ( RU 2006130596 H01m8/02, RU 2316084 H01M8/22, EP 0668622A , EP 1030395A , US 5968680 und andere).There are also known the numerous fuel cells that work with the high as well as low temperatures. At the heart of their work is the transformation of the energy of the oxidation reaction of the fuel inside the electrochemical cell with the continuous release from the outside of the fuel and the oxidizing agent ( RU 2006130596 H01m8 / 02 RU 2316084 H01M8 / 22, EP 0668622A . EP 1030395A . US 5968680 and other).

Nächstliegend der erklärten Weise, aber entgegengesetzt nach Wertigkeitsübergang, sind die folgenden Patente auf die chemischen Quellen des Stromes ( RU 2144245 H01M8/22, RU 2144245 H01M6/04), in deren als Elektrolyt wasserloser Oxybromid mit der Wertigkeit +5 oder +7 erklärt ist.Next to the declared way, but opposite to valence transfer, the following patents are on the chemical sources of the stream ( RU 2144245 H01M8 / 22, RU 2144245 H01M6 / 04) in which the electrolyte is waterless oxybromide with the value +5 or +7.

Ein Vorteil der untersuchten Einrichtungen ist die Anwendung der Brennstoffzellen die den Nutzeffekt der Umwandlung der chemischen Energie in die Elektrizität wesentlich vergrössern.One Advantage of the investigated facilities is the application of fuel cells the efficiency of the conversion of chemical energy into Significantly increase electricity.

Diese Einrichtungen arbeiten hauptsächlich mit der Anwendung des Wasserstoffes oder der sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe.These Facilities work mainly with the application of the hydrogen or the oxygen-containing hydrocarbons.

Die Anwendung des Wasserstoffes entscheidet grundsätzlich das Problem des Schadstoffemissionen in die Atmosphäre.The Application of hydrogen basically decides that Problem of pollutant emissions to the atmosphere.

Doch werden die hohe Energieintensität des Wasserstoffserhaltens und die Probleme seiner Aufbewahrung eine bedeutende Bremsung in seiner breiten Anwendungen geschaffen. Die Nutzung von den Kohlenwasserstoffen der verschiedenen Herkunft als der Brennstoff für die Brennstoffzellen wesentlich den Nutzeffekt der Umwandlung vergrößert, aber entscheidet die Probleme nur teilweise. Es reduziert ganz gering das ökologische Problem, weil die Menge des Emissions von CO2 in die Atmosphäre verringert wird.However, the high energy intensity of the hydrogen content and the problems of its storage are created a significant stunt in its wide applications. Use of hydrocarbons of various origin as fuel for fuel cells substantially increases efficiency of transformation, but only partially decides problems. It minimizes the ecological problem by reducing the amount of CO 2 released into the atmosphere.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bildung der rein ökologischen Weise der Umwandlung der Energie der chemischen Reaktion in der Elektrizität mit dem großen Nutzeffekt. Die gestellte Aufgabe wird so entschieden, dass auf Grund der Weise eine Reaktion liegt, die in der Brennstoffzelle erlaubt. In das organischen wasserfreien Lösungsmittel wird der Phosphortribromid-PBr3 mit dem Brom-Br2 reagiert. Dabei wird der Phosphorpentabromid-PBr5 gewonnen und auf den Elektroden entsteht die Pothentialdifferenz. Im geschlossenen Zyklus bei der Einwirkung der Wärme von außen auf die Pentabromidlösung des Phosphors werden PBr3 und Br2 von neuem gewonnen und der Prozess wiederholt sich.The object of the present invention is the formation of the purely ecological way of converting the energy of the chemical reaction in the electricity with the great efficiency. The task is decided so that, due to the way, there is a reaction that allows in the fuel cell. In the organic anhydrous solvent, the phosphorus tribromide PBr 3 is reacted with the bromine Br 2 . In this case, the phosphorus pentabromide PBr 5 is recovered and on the electrodes creates the Pothentialdifferenz. In the closed cycle, when external heat is applied to the phosphorus pentabromide solution, PBr 3 and Br 2 are recovered anew and the process is repeated.

Das Beispiel der Realisierung der angebotenen Verfahren.The Example of the realization of the offered methods.

Auf dem Bild 1 ist eine der möglichen Anlagevariante für die Realisierung der angebotenen Weise schematisch aufgezeigt.On Figure 1 is one of the possible investment variants for the realization of the offered way shown schematically.

Die Anlage besteht aus drei Wärmeaustauschern 1, 2 und 3, der Drossel 4, der Pumpe 5, die Wärmequelle 6 (z. B. der Gasbrenner für die Demonstrations – oder Mobilanlage der Stromquelle), des Wärmereglers für die Temperaturregellung innerhalb des Wärmeaustauschers (auf der Zeichnung ist nicht aufgezeigt), der Drossel 7 und der Block der elektrochemischen Zellen 8. Wärmeaustauscher 1 hat einen Tropfenabscheider 18, der zwei Ausgänge – 17 (Dampfe Br2) und 19 (Lösung PBr3 in CCl4). Brennstoffzellenblock 8 hat zwei Eingänge: einer von ihnen ist mit der Rohrleitung 9 mit dem Ausgang der Drossel 7 verbunden, und zweiter – ist mit der Rohrleitung 10 mit dem Ausgang vom Intrarohrraum des Wärmeaustauschers 3 durch das Regelungsventil (auf der Zeichnung ist nicht aufgezeigt) verbunden. Der Ausgang des Brennstoffzellenblocks 8 ist mit dem Zwischenrohrraum des Wärmeaustauschers 3 mit der Rohrleitung 11 verbunden, und seiner Intrarohrraum ist mit dem Ausgang der Drossel 4 mit der Rohrleitung 12 verbunden. Der Zwischenrohrraumausgang des Wärmeaustauschers 3 ist mit dem Eingang der Pumpe 5 mit der Rohrleitung 13 verbunden. Der Ausgang der Pumpe 5 ist mit dem Zwischenrohrraum des Wärmeaustauschers 2 mit der Rohrleitung 14 verbunden. Der Zwischenrohrraumausgang des Wärmeaustauschers 2 ist mit der Drossel 7 mit der Rohrleitung 15 verbunden.The system consists of three heat exchangers 1 . 2 and 3 , the throttle 4 , the pump 5 , the heat source 6 (eg the gas burner for the demonstration or mobile system of the power source), the temperature control temperature controller inside the heat exchanger (the drawing does not show), the choke 7 and the block of electrochemical cells 8th , heat exchangers 1 has a mist eliminator 18 who has two exits - 17 (Steam Br 2 ) and 19 (Solution PBr 3 in CCl 4 ). fuel cell block 8th has two entrances: one of them is with the pipeline 9 with the output of the throttle 7 connected, and the second - is with the pipeline 10 with the exit from the intrarube chamber of the heat exchanger 3 through the control valve (the drawing is not shown) connected. The output of the fuel cell block 8th is with the intermediate tube space of the heat exchanger 3 with the pipeline 11 connected, and its intrarube space is connected to the outlet of the throttle 4 with the pipeline 12 connected. The intermediate pipe space exit of the heat exchanger 3 is with the input of the pump 5 with the pipeline 13 connected. The output of the pump 5 is with the intermediate tube space of the heat exchanger 2 with the pipeline 14 connected. The intermediate pipe space exit of the heat exchanger 2 is with the throttle 7 with the pipeline 15 connected.

Der Zwischenrohrraumausgang des Wärmeaustauschers 2 ist mit dem Intrarohrraumeingang des Wärmeaustauschers 1 mit der Rohrleitung 16 verbunden. Der Intrarohrraumausgang des Wärmeaustauschers 1 ist durch den Tropfenabscheider 18 mit dem Eingang der Drossel 4 mit der Rohrleitung 17 verbunden.The intermediate pipe space exit of the heat exchanger 2 is with the intrarube entrance of the heat exchanger 1 with the pipeline 16 connected. The intrarube chamber outlet of the heat exchanger 1 is through the mist eliminator 18 with the input of the throttle 4 with the pipeline 17 connected.

Der angebotenen Weise zugrunde legen die elektrochemischen Reaktionen, die in der Brennstoffzellen 8 entsprechend den folgenden Gleichungen entstehen:

Figure 00030001
The offered way is based on electrochemical reactions occurring in fuel cells 8th arise according to the following equations:
Figure 00030001

Wie es aus den gebrachten Gleichungen und aus dem Schema, das auf dem 1 dargestellt ist, sichtbar ist, das die Ausgangsprodukte der Reaktion – PBr3 und Br2 – in die Brennstoffzelle 8 entsprechend durch die Rohrleitungen 9 und 10 handeln.As is clear from the equations and from the schema that is on the 1 is shown, which is the starting products of the reaction - PBr 3 and Br 2 - in the fuel cell 8th accordingly through the pipelines 9 and 10 act.

Im Laufe der elektrochemischen Reaktion, die auf den Elektroden verläuft, migrieren die gebildeten Ionen und gründen elektrischneutrale Lösung PBr5.In the course of the electrochemical reaction which proceeds on the electrodes, the ions formed migrate and form electrically neutral solution PBr. 5

Dabei fliesen die Elektronen von der negativen Elektrode auf die positive Elektrode durch die äußerliche Kette. PBr5, der als Ergebnis der Reaktion in der elektrochemischen Zelle gegründet ist, handelt in den Zwischenrohrraum des Wärmeaustauschers 3 durch die Rohrleitung 11. Dabei wird Br2 in den Intrarohrraum bis zu 40°C gekühlt, zurückgebend die Warm an PBr5.In doing so, the electrons from the negative electrode tapped on the positive electrode through the external chain. PBr 5 , which is established as a result of the reaction in the electrochemical cell, acts in the intermediate tube space of the heat exchanger 3 through the pipeline 11 , Br 2 is cooled down to 40 ° C in the intrarube chamber and the heat is returned to PBr 5 .

Aus dem Zwieschenrohrraum des Wärmeaustauschers 3 handelt PBr5 durch die Rohrleitung 13 auf den Eingang der Pumpe 5, wo er komprimiert wird und unter dem Druck = 10 bar auf den Eingang des Zwischenrohrraums des Wärmeaustauschers 2 durch die Rohrleitung 14 handelt. Hier nimmt er die Wärme von der Lösung aus dem Wärmeaustauscher 1 weg.From the Zwieschenrohrraum the heat exchanger 3 PBr 5 passes through the pipeline 13 on the entrance of the pump 5 where it is compressed and under pressure = 10 bar on the inlet of the intermediate tube space of the heat exchanger 2 through the pipeline 14 is. Here he takes the heat from the solution from the heat exchanger 1 path.

Die Kompression der PBr5 in CCl4-Lösung wird durchgeführt um das Lösungsmittelsieden zu vermeiden. Wenn als der Lösungsmittel C3H6Br2 genutzt wird, wird die Kompression ausgeschlossen. Diese Lösung handelt von dem Intrarohrraumausgang des Wärmeaustauschers 2 auf den Intrarohreingang des Wärmeaustauschers 1 durch die Rohrleitung 16.Compression of PBr 5 in CCl 4 solution is performed to avoid solvent boiling. When the solvent C 3 H 6 Br 2 is used, the compression is excluded. This solution is about the intrarube space exit of the heat exchanger 2 on the intrarohreingang the heat exchanger 1 through the pipeline 16 ,

In dem Wärmeaustauscher 1 wärmt die Lösung von der äußeren Wärmequelle 6 von 110°C bis 140°C. Seine Zerlegungsprodukte PBr3 und Br2 handeln in die Wärmeaustauschern 2 und 3. Im Tropfenabscheider 18 teilt sich die erwänte Lösung in flüssige und gasformige Pfasen. Die gasformige Pfase handelt durch die Rohrleitung 17 in die Drossel 4 und weiter durch die Rohrleitung 12 in den Intrarohrraum des Wärmeaustauschers 3.In the heat exchanger 1 warms the solution from the external heat source 6 from 110 ° C to 140 ° C. Its decomposition products PBr 3 and Br 2 act in the heat exchangers 2 and 3 , In the mist eliminator 18 the solution changed into liquid and gaseous. The gaseous Pfase trades through the pipeline 17 into the throttle 4 and continue through the pipeline 12 into the intrarube space of the heat exchanger 3 ,

In der Drossel 4 wird der Dampfdruck Br2 bis normalen gesenkt. Von dem Intrarohrraumausgang des Wärmeaustauschers 3 handelt Br2 bei der Temperatur 40°C und normalem Druck auf die Anode des elektrochemischen Zellenblocks 8. Gleichzeitig handelt heiße Lösung PBr3 vom Tropfenabscheiders 18 durch die Rohrleitung 19 im Intrarohrraum des Wärmeaustauschers 2.In the throttle 4 the vapor pressure is lowered Br 2 to normal. From the intrarube chamber exit of the heat exchanger 3 Br 2 is at the temperature of 40 ° C and normal pressure on the anode of the electrochemical cell block 8th , At the same hot solution is PBr3 from droplet 18 through the pipeline 19 in the intrarube chamber of the heat exchanger 2 ,

Da wird sie gekühlt und mit dem Temperatur 40°C und normalen Druck handelt durch die Drossel 7 mit dem ergänzenden Thermoregulator (auf der Zeichnung ist nicht aufgezeigt) durch die Rohrleitung 9 auf die Kathode des elektrochemischen Zellenblocks 8. So wird der Zyklus beendet, aber aller Prozess wird nicht beendet bis im Wärmeaustauscher 1 die Anwärmung und die Zerlegung PBr5 auf PBr3 und Br2 fortgesetzt werden. Arbeitszyklus ist eine elektrochemische Reaktion: PBr3 + Br2 = PBr5. Weiter folgt die Zerlegung bei der Anwärmung des PBr5 nicht höher als 140°C auf Br2 und die Lösung PBr3. Diese Stoffen können im Zyklus zurückkehren. In diesen Prozessen entsteht die Valenzveränderung P3 in P5 und zurück.Since it is cooled and with the temperature 40 ° C and normal pressure is through the throttle 7 with the supplementary thermoregulator (on the drawing is not shown) through the pipeline 9 on the cathode of the electrochemical cell block 8th , So the cycle is finished, but all process is not finished until in the heat exchanger 1 the heating up and the decomposition PBr 5 to PBr 3 and Br 2 can be continued. Duty cycle is an electrochemical reaction: PBr 3 + Br 2 = PBr 5 . Further, the decomposition upon heating of the PBr 5 does not follow higher than 140 ° C on Br 2 and the solution PBr 3 . These substances can return in the cycle. In these processes, the valence change P 3 arises in P 5 and back.

Termodynamische Parameter der Stoffe, teilnehmende im Prozess: Stoffe T Schmelz.°C T Sieden °C ΔH0(kJ/Mol) PBr3 –40,5°C 173,3°C –132 PBr5 106°C mit der Zerleg. –289 Br2 –7,25°C 59,2°C 0 Termodynamic parameters of the substances, participating in the process: matter T melt. ° C T boiling ° C ΔH 0 (kJ / mol) PBr 3 -40.5 ° C 173.3 ° C -132 PBr 5 106 ° C with the Zerleg. -289 Br 2 -7.25 ° C 59.2 ° C 0

Der Stoff, der voraussichtlich als das Lösungsmittel – Elektrolyt – CCl4 oder C3H6Br2, CH3CN u. a. in dem thermoelektrochemischen Prozess teilnimmt, muß nicht sich verändert. Dielektrische Konstante des Elektrolytes kann höher als 2,23 (CCl4) sein, darum der Arbeiterelektrolyt kann monokomponenten oder vielkomponenten sein, wie z. B. CCl4 + CH3CN oder CCl4 + CBr4 und andere.The substance expected to participate as the solvent electrolyte CCl 4 or C 3 H 6 Br 2 , CH 3 CN, etc., in the thermoelectrochemical process need not change. Dielectric constant of the electrolyte may be higher than 2.23 (CCl 4 ), therefore, the worker electrolyte may be monocomponent or many components, such. CCl 4 + CH 3 CN or CCl 4 + CBr 4 and others.

Die thermodynamische Berechnung zeigt, dass in einer elektrochemischen Zelle die Potentialdifferenz etwa 0,82 Volt verwirklicht wird. Auf ganzer Quelle mit den 1000 Zellen entsteht die Spannung 820 Volt zwischen den Polen. Bei dieser Spannung kann die Quelle den Strom 6 κA gewährleisten. Der voraussichtliche Umfang der Quelle ist 1M.X1M.X1,5M.The thermodynamic calculation shows that in an electrochemical Cell, the potential difference is realized about 0.82 volts. On Whole source with the 1000 cells creates the voltage 820 volts between the poles. At this voltage, the source can supply the current 6 κA guarantee. The expected scope the source is 1M.X1M.X1,5M.

O. g. Methode erlaubt, der Wirkungsgrad der verwendeten Wärme bis 80% unabhängig von der Natur und der Methoden seines Erhaltens zu erhöhen.O. G. Method allows the efficiency of the heat used up to 80% regardless of the nature and methods of his Getting raised.

Außerdem werden die Umfange der verwendeten Apparatur, die Fläche und die Außenabmessungen der Kraftwerksbauten bedeutend vermindert. Auf diese Weise, die spezifische Leistung der Apparatur ist 1 kW auf den Liter der Quelle.Furthermore The sizes of the used equipment, area and the external dimensions of the power plant structures significant reduced. In this way, the specific performance of the apparatus is 1 kW on the liter of the source.

Umfang der elektrochemischen Quelle für die Realisierung des probeenergetischen Systems bei der Leistung 5000 kW ist 5 M3. Der Umfang der wärmeaustauschen Apparaturen, der Regeleinrichtungen und der Wärmekommunikationen bildet 15 M3.Scope of the electrochemical source for the realization of the sample energy system at power 5000 kW is 5 M 3 . The volume of heat exchanging devices, control devices and thermal communications makes 15 M 3 .

Der Umfang der Apparatur muss entsprechend der Regel nicht mehr als 10% vom Umfang des Raums sein. O. g. Quelle fordert den Raum etwa 200 m3. Bei der einheitlichen Raumshöhe ca. 5 m muss die Raumfläche für die Energiequelle 40 m2 sein.The size of the device, according to the rule, should not be more than 10% of the volume of the room. O. g. Quelle claims the space about 200 m 3 . In the uniform ceiling height 5 m, the surface area for the power source 40 m 2 must be.

Die angegebene Verkleinerung erlaubt die beweglichen Systeme für die Energiequelle – unabhängige Elektrotransport zu projektieren und zu schaffen.The specified reduction allows the mobile systems for the source of energy - independent electrotransport to project and to create.

Dabei erlaubt diese Vorschlagsbenutzung den Brennstoffverbrauch für die lektroenergieherstellung und die CO2-Auswurfsmenge bedeutend zu senken. Und auf diese Weise werden ekonomische und ekologische Probleme teilweise entscheiden.This use of the proposal allows the fuel consumption for the production of electricity and the CO 2 emission amount to be significantly reduced. And in this way, economic and ecological problems will partly be decided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (3)

Das Verfahren der Wärmeumwandlung in die Elektroenergie bei der ständigen Wärmeanwendung auf das Arbeitsmittel, die aus der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle mit der Anwendung des wasserlossen Elektrolyts und Broms (Br2) als Sauerstoffträger geschieht, dadurch gekennzeichnet, dass der Tribromid des Phosphors (PBr3) im Lauf der elektrochemischen Reaktion als Brennstoff verwendet wird, und im Ergebnis der Reaktion der Pentabromid des Phosphors (PBr5) sich bildet.The method of heat conversion into the electric energy with the constant application of heat to the working medium, which happens from the electrochemical reaction in the fuel cell with the application of the water-free electrolyte and bromine (Br 2 ) as an oxygen carrier, characterized in that the tribromide of the phosphorus (PBr 3 ) in the course of electrochemical reaction is used as fuel, and as a result of reaction the pentabromide of phosphorus (PBr 5 ) is formed. Das Verfahren der Wärmeumwandlung in die Elektroenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsprodukten der elektrochemischen Reaktion PBr3 und Br2 bei der Zerlegung vom Pentabromid des Phosphors (PBr5) bei der Erwärmung bis 140°C im geschlossenen Zyklus in der Lösung bilden sich.The method of heat conversion into the electric energy according to claim 1, characterized in that the starting products of the electrochemical reaction PBr 3 and Br 2 in the decomposition of the pentabromide of phosphorus (PBr 5 ) form when heated to 140 ° C in a closed cycle in the solution yourself. Das Verfahren der Wärmeumwandlung in die Elektroenergie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in der Lösung von CCl4, CBr4, CH3CN oder in den anderen passenden Lösungen durchgeführt wird, und die Wärme sich in den fortlaufenden Wärmeaustauschern maximal rekuperiert, und die Wärme der entgegenkommenden Fluten verwendet wird.The method of heat conversion to electric energy according to claim 2, characterized in that the process is carried out in the solution of CCl 4 , CBr 4 , CH 3 CN or in the other appropriate solutions, and the heat recuperates maximally in the continuous heat exchangers, and the heat of oncoming floods is used.
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