DE19519123C2

DE19519123C2 - Process for generating electrical energy from renewable biomass

Info

Publication number: DE19519123C2
Application number: DE19519123A
Authority: DE
Inventors: Reinhart Dr Radebold; Helmut Radebold; Walter Radebold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2015-05-18
Also published as: DE19519123A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus nachwach sender Biomasse über chemoelektrische Reaktionen, insbesondere aus nachwachsender, nicht für Nahrungszwecke verwendbarer Biomasse zur Erzeugung frequenzvariabler Drehströme im technischen Spannungsbereich.The invention relates to a method for generating electrical energy from nachwach transmit biomass via chemoelectric reactions, especially from renewable, Biomass that cannot be used for foodstuffs to produce variable-frequency Three-phase currents in the technical voltage range.

Es sind verschiedene Verfahren zur technischen Nutzung von Sonnenenergie bekannt, die jedoch nicht in wirtschaftlich relevanter Weise eingesetzt werden. Aus diesem Grunde ist die Nutzung der Sonnenenergie auf wenige Anwendungen beschränkt und trägt zur Ener giebilanz der Volkswirtschaft nur vernachlässigbar bei.Various methods for the technical use of solar energy are known but not used in an economically relevant manner. This is why the use of solar energy is limited to a few applications and contributes to energy economic balance sheet is negligible.

Bezüglich der energetischen Nutzung der solaren Strahlung lassen sich im wesentlichen drei Bereiche unterscheiden, auf denen Aktivitäten vorangetrieben werden. Es sind diesWith regard to the energetic use of solar radiation can be essentially distinguish three areas in which activities are promoted. They are

1. thermal use for the purpose of generating electrical energy via thermodynami cycle processes,
2. the use of quantum processes in semiconductor solar cells for the purpose of provision electrical energy and
3. the use of quantum processes to produce chemical compounds that can be stored as an energy source and either in engines for the production of Driving energy or for generating electrical energy, for example in power plants can be used.

Die Nutzung von Niedertemperaturwärme zur Bereitung von Brauchwasser oder zur Hei zung von Gebäuden interessiert hier nicht, da der verfügbare Exergieanteil gering ist.The use of low temperature heat for the preparation of process water or for heating Buildings are of no interest here because the available exergy share is low.

Beispiele für die erste Gruppe sind die Turmkraftwerke der Europäischen Gemeinschaft in Almeria, die Parabolrinnen-Kraftwerke in Kalifornien, oder die vielen Versuche, dezentra le Kraftwerke mit fokussierenden Spiegeln und thermodynamischen Arbeitsprozessen zu schaffen, möglichst mit Kraft-Wärme-Kopplung beispielsweise zur Destillation von Meer wasser, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Diese Vorhaben sind letztlich daran geschei tert, daß erstens die Speicherung der gewonnenen elektrischen Energie in großtechni schem Maßstab bisher nicht möglich ist, und daß zweitens die thermodynamischen Kreisprozesse zu erheblichen Verlusten führen.Examples of the first group are the tower power plants of the European Community in Almeria, the parabolic trough power plants in California, or the many attempts, decent power plants with focusing mirrors and thermodynamic work processes create, if possible with cogeneration, for example for the distillation of sea water to increase economy. Ultimately, these plans have failed tert that firstly the storage of the electrical energy obtained in large-scale Schem scale has not been possible so far, and that secondly, the thermodynamic cycle processes lead to considerable losses.

Die zweite Gruppe der Aktivitäten hat insbesondere durch den Einsatz in der Weltraum technik, aber auch durch staatlich geförderte Programme großen Aufschwung genommen. Dennoch ist eine Stagnation zu beobachten, die offensichtlich auf folgenden zwei Gründen beruht:
Erstens, die bereitgestellte elektrische Energie fällt wie auch bei den thermischen Kraft werken hauptsächlich in den Mittagsstunden an, so daß ohne Speicherung der elektrischen Energie von einer ganztägigen Versorgung nicht gesprochen werden kann.The second group of activities has boomed particularly due to its use in space technology, but also through government-funded programs. Nevertheless, stagnation can be observed, which is obviously based on the following two reasons:
First, the electrical energy provided, as with thermal power plants, mainly occurs in the midday hours, so that it is not possible to speak of an all-day supply without storing the electrical energy.

Zweitens, der realistische Strompreis liegt um ein Vielfaches höher als bei fossil gefeuerten Kraftwerken; selbst wenn man den heutigen Preis fossiler Brennstoffe als ungerechtfertigt niedrig ansieht, bleibt die Tatsache, daß eine Ökobilanz für die Herstellung von Solarzellen nach dem heutigen Stande der Technik kaum Chancen auf einen großtechnischen Einsatz erwarten läßt.Second, the realistic price of electricity is many times higher than that of fossil-fired ones Power plants; even if you consider today's fossil fuel price to be unjustified remains low, the fact that a life cycle assessment for the manufacture of solar cells According to the current state of technology, there are hardly any chances of large-scale use can be expected.

Bei der dritten Gruppe ist zu unterscheiden zwischen biologischen Quantenprozessen wie sie bei der biologischen Photosynthese involviert sind, und zwischen Quantenprozessen, die bei photochemischen, nicht-biologischen Systemen angewendet werden sollen. Letzte re befinden sich im Anfangsstadium der Forschung und werden nicht weiter betrachtet.The third group differentiates between biological quantum processes such as they are involved in biological photosynthesis and between quantum processes, to be used in photochemical, non-biological systems. Last one re are in the early stages of research and will not be considered further.

Die Nutzung der biologischen Photosynthese unter Einhaltung des CO₂-Fließgleich gewichtes ist aber ein Verfahren, das weltweit bis zum Beginn der Industrialisierung eine entscheidende Rolle gespielt hat. (Erst mit dem Auffinden und Ausbeuten der Vorräte an fossilen Brennstoffen ist das CO₂-Fließgleichgewicht gestört worden). So ist beispielswei se bis lange nach dem zweiten Weltkrieg in Süddeutschland der Anbau schnell wachsender Hölzer gepflegt worden, um aus diesem Holz kleine dezentrale Kraftwerke zu betreiben. Ebenfalls wurde, vor, insbesondere aber während des zweiten Weltkrieges und danach die Technik des Holzvergasens durch IMBERT zum Antrieb von Kraftfahrzeugen in der Grö ßenordnung von einigen hunderttausend Antrieben durchgeführt. Erst mit dem Auftreten billigen Erdöls sind diese Verfahren als nicht mehr rentabel und bequem eingestuft worden.The use of biological photosynthesis in compliance with the CO₂ flow equilibrium However, weight is a process that is a worldwide one until the beginning of industrialization played a crucial role. (Only when the stocks are found and exploited fossil fuels, the CO₂ flow balance has been disturbed). For example Until long after the Second World War, cultivation was growing rapidly in southern Germany Wood has been maintained to operate small, decentralized power plants from this wood. Also before, but especially during and after the Second World War Wood gasification technology by IMBERT for driving motor vehicles in size order of several hundred thousand drives. Only with the appearance With cheap petroleum, these processes are no longer profitable and convenient been.

In jüngster Zeit mehren sich Anzeichen für ein erneutes Nutzbarmachen des biologischen Photosynthesekreislaufes durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe, so daß diese Nutzung wirtschaftliche Bedeutung gewinnen könnte und damit die Rückkehr zu einem CO₂-Fließgleichgewicht auf erträglichem Niveau verbunden wäre. So wird vorgeschlagen, beispielsweise Holz, und insbesondere Holzabfalle in Form von Hackschnitzeln in speziell dafür konstruierten Brennern zu verheizen und mit der so erzeugten Wärme einen thermodynamischen Kreisprozeß beispielsweise mit Dampf als Arbeitsmittel zu betreiben, um bei spielsweise über einen Dampfmotor elektrische Energie bereitzustellen und die Abwärme des entspannten Dampfes beispielsweise für die Gebäudeheizung oder die Entsalzung von Meerwasser zu verwenden.In recent times there have been increasing signs that the biological can be used again Photosynthesis cycle by using renewable raw materials, so that these Use could gain economic importance and thus return to one CO₂ flow balance would be connected at a tolerable level. So it is suggested for example wood, and in particular wood waste in the form of wood chips in special to burn burners designed for this purpose and to use the heat thus generated to operate a thermodynamic cycle, for example using steam as the working medium, in order to provide electrical energy and waste heat, for example, via a steam engine of the relaxed steam, for example for building heating or the desalination of To use sea water.

Auch die zweite Anwendung, die thermische Spaltung von Holz zur Gewinnung von Holzgas zum Antrieb von Motoren ist nie aufgegeben worden und hat heute vielseitige Anwendungen, jedoch nur für stationäre Anlagen. Schließlich seien noch die Bemühun gen erwähnt, Pflanzenöle oder Alkohole, die aus Zuckern durch Gärung gewonnen wur den, zum Antrieb von Fahrzeugen einzusetzen. Beispiele sind hier der Bio-Diesel und das brasilianische Alkohol-Projekt. Auch auf diesen Gebieten konnte ein überzeugender tech nischer Durchbruch nicht erreicht werden. Dies hat - was die beiden letzten Verfahren be trifft - teils wirtschaftliche Gründe, teils führt es zu Akzeptanzproblemen, da für die menschliche Ernährung geeignete Stoffe quasi zweckentfremdet werden.Also the second application, the thermal splitting of wood for the extraction of Wood gas for driving engines has never been abandoned and today has many uses Applications, but only for stationary systems. Finally, there are efforts gen mentioned, vegetable oils or alcohols that have been obtained from sugars by fermentation to use to drive vehicles. Examples here are bio-diesel and that Brazilian alcohol project. A convincing tech African breakthrough cannot be achieved. This has - as the last two procedures do hits - partly economic reasons, partly it leads to acceptance problems, because for the suitable substances are used for purposes other than intended.

Holz, Abfallholz und auch Stroh unterliegen diesem Akzeptanzproblem nicht; hier sind es vor allem technische Gründe, die Schwierigkeiten bereiten. So ist bisher keine überzeu gende Lösung für das Problem gefunden, das die Kraft-Wärme-Kopplung impliziert, näm lich das gleichzeitige Auftreten von elektrischer Energie und Heizwärme etwa im Verhält nis 1 : 8, das zu Problemen insbesondere in den wärmeren Jahreszeiten führt.Wood, waste wood and straw are not subject to this acceptance problem; here it is especially technical reasons that cause difficulties. So far, no one is convinced enough solution to the problem that the cogeneration implies, näm Lich the simultaneous occurrence of electrical energy and heating heat in a ratio nis 1: 8, which leads to problems especially in the warmer seasons.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, solare Strahlung insbe sondere in gemäßigten Zonen nutzbar zu machen, sie in einer standardisierten, logistisch leicht zu handhabenden, hochexergetischen Form zu speichern und dezentral sowie bedarfsbedingt in heutigen technischen Systemen und Varianten dieser Systeme unter dem Aspekt vielfältiger Verwendung einzusetzen.The present invention is based on the object, in particular solar radiation to make them usable especially in temperate zones, in a standardized, logistical way easy-to-use, highly exergetic shape to store and decentralized as well as required in today's technical systems and variants of these systems under the Aspect of diverse use.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine effektive Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung hochexergetischer chemischer Energieträger, die speicherbar sind, und zur weiteren Umwandlung der gespeicherten Energie in elektrische Energie. Zu diesem Zweck werden Produkte der biologischen Photosynthese, die als Cellulose in den Zellwänden von Bäumen und anderen Pflanzen enthalten sind, und die auch in (anderweitig) nicht mehr verwertbaren Produkten wie z. B. Altpapier zu finden sind, als quasi nachwachsende Aus gangsprodukte eingesetzt und beispielsweise durch Säuren katalysiert hydrolytisch in vor zugsweise wäßrige, konzentrierte Lösungen von Oligo- und Monosacchariden, insbeson dere von Glucose überführt, wobei diese Lösungen als standardisierte, logistisch leicht zu handhabende, hochexergetische chemische Energieträger auf der Basis von reduzierend wirkenden Kohlehydraten dienen, die zusammen mit dem Sauerstoff der Luft in chemo elektrischen Wandlern in elektrische Energie umgesetzt werden.The solution according to the invention creates an effective use of solar energy Generation of highly exergetic chemical energy sources that can be stored and for further conversion of the stored energy into electrical energy. To this end are products of biological photosynthesis that act as cellulose in the cell walls of Trees and other plants are included, and no longer in (otherwise) usable products such as B. waste paper can be found as a quasi-renewable products used and for example catalyzed by acids hydrolytically in front preferably aqueous, concentrated solutions of oligosaccharides and monosaccharides, in particular those transferred from glucose, these solutions being standardized, logistically easy to use Handling, highly exergetic chemical energy sources on the basis of reducing Acting carbohydrates serve together with the oxygen in the air in chemo electrical converters are converted into electrical energy.

Vorzugsweise werden durch interne Steuerung des chemoelektrischen Wandlers gepulste Ströme variabler Frequenz erzeugt, so daß sich durch Transformation dieser Ströme und Kopplung mehrerer Wandler hochgespannte Drehstromnetze zur Versorgung auch frequenzvariabler Antriebe aufbauen lassen.Pulses are preferably pulsed by internal control of the chemoelectric converter Generates variable frequency currents, so that by transforming these currents and Coupling of several converters to high-voltage three-phase networks also for supply Have variable frequency drives installed.

Alternativ kann eine dezentrale Anwendung insbesondere für den Antrieb von Fahrzeugen und den Antrieb von Wärmepumpen zur Heizung und Kühlung, aber auch zur Bereitstel lung mechanischer Energie und zum Betrieb von informationsverarbeitenden Systemen vorgesehen werden. Auch die dezentrale Einspeisung in 50 Hz- oder 16 2/3 Hz-Netze ist möglich.Alternatively, a decentralized application can be used in particular for driving vehicles and the drive of heat pumps for heating and cooling, but also for supply mechanical energy and for the operation of information processing systems be provided. The decentralized supply in 50 Hz or 16 2/3 Hz networks is also possible.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:Based on the embodiments shown in the drawing, the invention underlying thought are explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1 is a schematic representation of the method according to the invention;

Fig. 2 schematische Darstellungen chemoelektrischer Wandler nach bio chemischem Prinzip und Brennstoffzellen-Prinzip nach Stand der Technik; FIG. 2 shows schematic representations of chemo electrical transducer according to bio-chemical principle and fuel cell principle according to the prior art;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prinzips einer Brennstoffzelle für die Wasserstoffseite; Fig. 3 is a schematic representation of the principle of a fuel cell for the hydrogen side;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Prinzips einer Brennstoffzelle für die Sauerstoffseite; Fig. 4 is a schematic illustration of the principle of a fuel cell for the oxygen side;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen chemo elektrischen Wandlers; Fig. 5 is a schematic representation of a chemo-electric converter according to the invention;

Fig. 6 eine Darstellung verschiedener als Reaktionszentrum einsetzbarer Moleküle und Fig. 6 is a representation of various compounds useful as reaction center molecules and

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen konzentrischen chemoelektrischen Wandler gemäß der Erfindung. Fig. 7 is a longitudinal section through a concentric chemo-electric converter according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus nachwachsender Biomasse über chemoelektrische Reaktionen ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Es besteht aus den drei Teilen A, B, und C, die einander bedingen. Die vorliegende Erfindung ist zum einen ein Ergebnis der in den letzten Jahrzehnten gewonnenen negativen Erfahrungen bei Versuchen zur großtechnischen Nutzung der Sonnenenergie und geht daher von nach wachsenden Rohstoffen aus (Fig. 1, Teil A), klinkt sich also in den Kreislauf der biologi schen Photosynthese ein (in der Erkenntnis, daß dieses vielleicht nur ein notwendiger Zwi schenschritt ist, bis die Probleme einer technischen Photosynthese befriedigend gelöst sind).The method according to the invention for generating electrical energy from renewable biomass via chemoelectric reactions is shown schematically in FIG. 1. It consists of the three parts A, B, and C, which are mutually dependent. The present invention is, on the one hand, a result of the negative experiences gained over the past few decades in attempts to use solar energy on an industrial scale and is therefore based on growing raw materials ( FIG. 1, part A), and therefore closes into the cycle of biological photosynthesis a (recognizing that this may only be a necessary intermediate step until the problems of technical photosynthesis have been satisfactorily resolved).

Die vorliegende Erfindung orientiert sich zum anderen an den biochemischen Prinzipien der Energiewandlung in lebenden Zellen, um das riesige Potential an gespeicherter Strah lung in den nachwachsenden Rohstoffen in einem chemoelektrischen Wandler in elektri sche Energie umzuwandeln (Fig. 1, Teil B). Die sich hierbei ergebenden neuen Möglichkeiten werden genutzt, um einen derartigen chemoelektrischen Wandler an die Er fordernisse der heutigen Technik - hochgespannte Drehstromnetze und frequenzgesteuerte Antriebe - anzupassen (Fig. 1, Teil C).The present invention is based on the other hand on the biochemical principles of energy conversion in living cells in order to convert the huge potential of stored radiation in the renewable raw materials in a chemoelectric converter into electrical energy ( FIG. 1, part B). The resulting new possibilities are used to adapt such a chemoelectric converter to the requirements of modern technology - high-voltage three-phase networks and frequency-controlled drives ( Fig. 1, part C).

Da es sich bei den Teilen A, B und C um unterschiedliche Aspekte der Erfindung handelt, wird der dem jeweiligen Teil entsprechende Stand der Technik dort behandelt. Since parts A, B and C are different aspects of the invention, the prior art corresponding to the respective part is dealt with there.

Fig. 1 Teil A: Die vorliegende Erfindung basiert auf Cellulose als dem wesentlichen Be standteil pflanzlicher Zellwände; sie vermeidet also den alleinigen Rückgriff auf pflanzliche Produkte, die zu Zwecken der Ernährung unmittelbar verwendet werden können. Die Beschränkung auf cellulosehaltige Rohstoffe wie Holzabfälle, einjährige Pflanzen, Stroh, aber auch auf nicht mehr verwertete technische Produkte aus diesen Rohstoffen wie bei spielsweise Altpapier eröffnet dennoch ein Potential beispielsweise für die Bundesrepublik, in Höhe von mehreren 300 PJ oder in mehreren 10 Mio t SKE, [1 t SKE (Steinkohlen Einheit) wird als Einheit für Energie verwendet und entspricht dem unteren Heizwert einer Tonne (=10³ kg) Steinkohlen = 28,09 GJ] das volkswirtschaftlich gewichtige Größenordnungen darstellt. Die vorliegende Erfindung sieht in der Cellulose dieser nachwachsenden Rohstoffe und ihrer nicht mehr verwertbaren technischen Produk te einen hochexergetischen chemischen Energieträger, der zu der Gruppe der Kohlehydra te gehört und aus Polysacchariden besteht, und dessen große Bedeutung darin liegt, daß er durch bekannte Verfahren in eine logistisch gut zu handhabende, standardisierbare und technisch optimal zu nutzende Form umgewandelt werden kann, nämlich in Gemische un terschiedlicher Zucker, chemisch gesehen in wasserlösliche, reduzierende Oligo- und Monosaccharide, insbesondere aber in Glucose. Fig. 1 Part A: The present invention is based on cellulose as the essential component of plant cell walls; it therefore avoids the sole use of herbal products that can be used directly for nutritional purposes. The restriction to cellulose-containing raw materials such as wood waste, annual plants, straw, but also to technical products from these raw materials that are no longer used, such as waste paper, nevertheless opens up potential for the Federal Republic, for example, in the amount of several 300 PJ or in several 10 million tce , [1 t SKE (hard coal unit) is used as a unit for energy and corresponds to the lower calorific value of one ton (= 10³ kg) hard coal = 28.09 GJ] which represents economically important orders of magnitude. The present invention sees in the cellulose of these renewable raw materials and their no longer usable technical products te a highly exergetic chemical energy source, which belongs to the group of carbohydrates and consists of polysaccharides, and whose great importance lies in the fact that it can be converted into a by known methods logistically easy-to-use, standardizable and technically optimally usable form can be converted, namely in mixtures of different sugars, chemically seen in water-soluble, reducing oligosaccharides, but especially in glucose.

Wie der Stand der Technik zu Teil A ergibt, wurden Zuckerlösungen in Krisenzeiten die ses Jahrhunderts in der Tat aus Holz erzeugt, um als chemische Rohstoffe, aber auch als Nahrungsmittel verwertet zu werden. Die Auflösung des Holzes und der darin befindli chen Cellulose - also von Polysacchariden - durch hydrolytische Spaltung in Monosaccharide, beispielsweise in Glucose, wurde durch Säure katalysiert bereits groß technisch durchgeführt. So nutzt das Verfahren von BERGIUS etwa 40%ige Salzsäure bei 20°C Prozeßtemperatur, das Verfahren von SCHOLLER 0,5%ige Schwefelsäure bei etwa 130°C Prozeßtemperatur. Das Verfahren von HOECHST arbeitet mit gasförmigem Fluorwasserstoff im Temperaturbereich zwischen 40 und 80°C. Die verwendeten Säuren werden im Prinzip im Kreislauf geführt. Eine weitere Perspektive bildet die Trennung von Cellulose, Lignin und anderen Inhaltsstoffen durch die Auflösung des Holzes in Essig säure-Ameisensäure-Gemischen nach NIMZ. Die nachfolgende hydrolytische Spaltung der Cellulose ist über das Enzym Cellulase denkbar.As the state of the art shows in part A, sugar solutions became the most in times of crisis In fact, it was made from wood to be used as a chemical raw material, but also as Food to be recycled. The dissolution of the wood and the inside Chen cellulose - i.e. of polysaccharides - by hydrolytic cleavage in Monosaccharides, for example in glucose, have already been catalyzed by acid technically carried out. The BERGIUS process uses around 40% hydrochloric acid at 20 ° C process temperature, the SCHOLLER process uses 0.5% sulfuric acid about 130 ° C process temperature. The procedure of HOECHST works with gaseous Hydrogen fluoride in the temperature range between 40 and 80 ° C. The acids used are basically circulated. Another perspective is the separation from Cellulose, lignin and other ingredients by dissolving the wood in vinegar acid-formic acid mixtures according to NIMZ. The subsequent hydrolytic cleavage cellulose is conceivable via the cellulase enzyme.

Lignin und andere Holzinhaltstoffe, die nicht verzuckerbar sind, werden aus dem Prozeß abgefüllt und einer anderswertigen Nutzung als wertvolle Rohstoffe zugeführt.Lignin and other wood constituents that cannot be saccharified are removed from the process bottled and used for other purposes as valuable raw materials.

Kern der vorliegenden Erfindung ist die ökonomische Umwandlung der Lignocellulose in wäßrige, konzentrierte Lösungen von Mono- und Oligosacchariden. Sie zielt darauf ab, diese Umwandlung säurekatalysiert, aber weder nach dem Verfahren von BERGIUS noch dem von SCHOLLER durchzuführen, weil sie die Zukunft in dezentralen Verfahren sieht. Es hat in der heutigen Situation keinen Sinn, Holzabfälle über weite Strecken zu Fabriken zu transportieren. Die vorliegende Erfindung zielt daher auf rechnergestütze Kleinanla gen, die vor Ort vornehmlich zunächst mit Fluorwasserstoff oder mit Essigsäure-Ameisen säure-Gemischen im Kreislauf arbeiten, und deren Prozeßführung gegenüber den genann ten Verfahren wesentlich vereinfacht ist; auch sind die verwendeten Materialien gebräuch lich. Es kommt hierbei nicht darauf an, einzelne Zuckersorten getrennt zu extrahieren.The core of the present invention is the economic conversion of lignocellulose into aqueous, concentrated solutions of mono- and oligosaccharides. It aims this conversion is acid catalyzed, but neither by the BERGIUS process nor that of SCHOLLER because it sees the future in decentralized processes. It makes no sense in today's situation to send wood waste to factories over long distances to transport. The present invention is therefore aimed at computer-based small systems gene, primarily on site with hydrogen fluoride or with acetic acid ants acid mixtures work in a cycle, and their process management compared to the genann the procedure is significantly simplified; the materials used are also used Lich. It is not important to extract individual types of sugar separately.

Fig. 1 Teil B: Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel die chemoelektrische Umwand lung der reduzierenden Zucker zusammen mit dem Sauerstoff der Luft in elektrische Ener gie in chemoelektrischen Wandlern im Bereich nahe der Umgebungstemperatur, struktu riert nach biochemischem Vorbild. Fig. 1 Part B: The present invention aims to chemoelectric conversion of the reducing sugars together with the oxygen of the air into electrical energy in chemoelectric converters in the region near the ambient temperature, structured according to the biochemical model.

Chemoelektrische Wandler sind in der Technik als Brennstoffzellen bekannt; sie wurden insbesondere im Rahmen der Weltraumnutzung unter Verwendung gasförmigen Wasserstoffes und gasförmigen Sauerstoffes unter Einsatz Protonen leitender Membranen (PEM-Zellen) mit erheblichem finanziellen Aufwand zur Einsatzreife entwickelt.Chemoelectric converters are known in the art as fuel cells; they were especially in the context of space use using gaseous Hydrogen and gaseous oxygen using proton conductive membranes (PEM cells) developed for operational readiness with considerable financial expenditure.

Zwischen dem chemoelektrischen Wandler gemäß der Erfindung und den Brennstoffzellen gemäß dem Stand der heutigen Technik besteht ein wesentlicher Unterschied. Bei jeder chemoelektrischen Wandlung, bei der ein Wasserstoffüberträger (oder molekularer Was serstoff) und molekularer Sauerstoff als die beiden Reaktionspartner eingesetzt werden, kommt es letztlich darauf an, atomaren Wasserstoff und atomaren Sauerstoff aus den Re aktionspartnern zu gewinnen und je zwei Wasserstoffatome als Donator für ein Elektro nenpaar und zwei Protonen sowie das Sauerstoffatom als Akzeptor für ein Elektronenpaar und anschließend für zwei Protonen zu nutzen.Between the chemoelectric converter according to the invention and the fuel cells According to the state of the art today, there is an essential difference. With everyone chemoelectric conversion, in which a hydrogen transfer (or molecular What hydrogen) and molecular oxygen are used as the two reactants, Ultimately it comes down to atomic hydrogen and atomic oxygen from the Re action partners and two hydrogen atoms each as donors for an electrical system pair and two protons and the oxygen atom as an acceptor for an electron pair and then use it for two protons.

Nach Ablauf des ersten Prozesses - also der Trennung von Elektronen und Protonen - ist es möglich, mit den Elektronen eine inerte, elektronisch leitende Elektrode negativ aufzu laden: Es entsteht eine zweifach geladene negative Elektrode, im folgenden als 2n-Elektrode bezeichnet.After the first process - the separation of electrons and protons - is over it is possible to negatively charge an inert, electronically conductive electrode with the electrons charge: A double charged negative electrode is created, in the following as Designated 2n electrode.

Im Verlauf eines zweiten Prozesses werden, weil das Sauerstoffatom zwei Elektronen akzeptieren kann, zwei Elektronen einer zweiten inerten Elektrode entnommen, und diese dabei positiv aufgeladen, wobei in ihr zwei Löcher gebildet werden: Es entsteht eine 2p-Elektrode und ein zweifach geladenes O²^--Ion. Zwischen beiden Elektroden baut sich ein makroskopisches elektrisches Feld auf, es kann im Prinzip ein elektrischer Verbraucher eingeschaltet werden. Diese Aufladung der beiden Elektroden ist jedoch nur möglich, wenn die Protonen durch ein Protonen leitendes Medium zu dem nunmehr doppelt negativ geladenen Sauerstoffatom gelangen können, um sich mit ihm zu Wasser zu vereinigen. Die dabei freiwerdende freie Reaktionsenthalpie von rund 860kJ/mol entspricht einer Span nung zwischen beiden Elektroden von rund 4,35V; sie entspricht der Summe aus Ionisati onsenergie und Elektronen-Affinität.In the course of a second process, because the oxygen atom can accept two electrons, two electrons are removed from a second inert electrode, and this is positively charged, whereby two holes are formed in it: a 2p electrode and a double-charged O 2 are formed ^- - Ion. A macroscopic electric field builds up between the two electrodes. In principle, an electrical consumer can be switched on. However, this charging of the two electrodes is only possible if the protons can reach the now doubly negatively charged oxygen atom through a proton-conducting medium in order to unite with it to form water. The free reaction enthalpy of around 860 kJ / mol that is released corresponds to a voltage between the two electrodes of around 4.35 V; it corresponds to the sum of ionization energy and electron affinity.

Es ist also in diesem Modell die chemische Affinität zwischen den Protonen 2 H⁺ und dem Sauerstoffanion O^2-, welche die Aufladung der 2n- und 2p-Elektroden bewirkt, also ein makroskopisches elektrisches Feld aufzubauen gestattet, und somit die Verrichtung elek trischer Arbeit am Verbraucher ermöglicht. (Im übrigen gilt dieser Wert von 4,35 V auch für fast alle zyklischen Kohlenwasserstoffe).It is in this model, therefore, the chemical affinity between the protons 2 H Sauerstoff and the oxygen anion O ^2- , which causes the 2n and 2p electrodes to be charged, thus allowing a macroscopic electric field to be built up, and thus performing electrical work on Enables consumers. (In addition, this value of 4.35 V also applies to almost all cyclic hydrocarbons).

Man kann auch sagen: Die - mikroskopischen - elektrischen Felder der Atomhüllen sehr vieler einzelner H₂- und O₂-Moleküle werden partiell in ein einziges makroskopisches elek trisches Feld zwischen zwei Elektroden transferiert.One can also say: The - microscopic - electrical fields of the atomic shell very much Many individual H₂ and O₂ molecules are partially in a single macroscopic elec trical field transferred between two electrodes.

Die Spannung von 4,35V ist in Wirklichkeit nicht zu erreichen, zum einen weil Aktivie rungsenergien aufzubringen sind, um atomaren Wasserstoff und Sauerstoff aus den Reak tionspartnern zu erzeugen, und weil zum anderen Nebenreaktionen ablaufen, die zu Ver lusten an Arbeitsfähigkeit führen. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Wandler gemäß der Erfindung und dem Stand der Technik liegt nun darin, wie und an welcher Stel le die Erzeugung des atomaren Wasserstoffes und des atomaren Sauerstoffes geschieht (und wie unerwünschte Nebenreaktionen, die insbesondere auf der Sauerstoffseite auftre ten können, vermieden werden), und wie die Elektronenpaare von den Donoren zu der ei nen Elektrode und wie sie von der anderen Elektrode zum Akzeptor transportiert werden. In der Technik der heutigen Brennstoffzellen werden sowohl die Aktivierungsreaktionen als auch die Aufspaltung des atomaren Wasserstoffes in Elektronen und Protonen, ebenso wie die Aktivierungsreaktionen für den Sauerstoff und die Elektronen-Protonen-Akzep tanz unmittelbar an der besonders behandelten Oberflächenschicht der inerten, elektro nisch leitenden Elektroden dortselbst bewirkt. Der Elektronentransport beschränkt sich quasi auf Sprünge zwischen Oberflächenschicht und inerter Elektrode. Im Falle des Wandlers der vorliegenden Erfindung werden im Unterschied dazu diese Reaktionen in Reaktionszentren verlegt, die von den inerten Elektroden getrennt sind. Somit spielt der Elektronen-(Paar-) Transport eine wesentliche Rolle. Die Verhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt.The voltage of 4.35 V cannot be reached in reality, on the one hand because activation energies have to be applied to generate atomic hydrogen and oxygen from the reaction partners, and on the other hand because side reactions take place that lead to a loss of work capacity. The essential difference between the converter according to the invention and the prior art is now how and at what point the generation of atomic hydrogen and atomic oxygen takes place (and how undesirable side reactions, which can occur in particular on the oxygen side, are avoided ) and how the electron pairs are transported from the donors to one electrode and how they are transported from the other electrode to the acceptor. In the technology of today's fuel cells, both the activation reactions and the splitting of atomic hydrogen into electrons and protons, as well as the activation reactions for oxygen and electron-proton acceptance, are carried out directly on the specially treated surface layer of the inert, electronically conductive electrodes effected there. Electron transport is limited to cracks between the surface layer and the inert electrode. In contrast, in the case of the transducer of the present invention, these reactions are relocated to reaction centers that are separate from the inert electrodes. Electron (pair) transport therefore plays an important role. The relationships are shown in FIG. 2.

Nach dieser Einführung läßt sich der Stand der Technik für Brennstoffzellen durch das Schema in Fig. 3 für die Wasserstoffseite und in Fig. 4 für die Sauerstoffseite darstellen, wobei die Hochtemperatur-Brennstoffzellen nicht weiter aufgeführt sind.After this introduction, the prior art for fuel cells can be represented by the diagram in FIG. 3 for the hydrogen side and in FIG. 4 for the oxygen side, the high-temperature fuel cells not being listed any further.

Es sei erwähnt, daß auch für Hochtemperatur-Brennstoffzellen der Einsatz von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Kohlehydraten als Primärenergieträger vorgeschlagen wurden, die jedoch in Gas- oder Dampfform zugleitet werden, wie das in der DE 40 33 286 A1 dargestellt ist.It should be mentioned that also for high temperature fuel cells the use of hydrocarbons, alcohols and Carbohydrates have been proposed as primary energy sources, but are supplied in gas or vapor form be, as shown in DE 40 33 286 A1.

Folgt man dem dick ausgezogenen Pfad in Fig. 3, kommt man zu den Brennstoffzellen, die mit im Elektrolyten gelösten Kohlenwasserstoffen arbeiten. Es wurden verschiedene Alkohole und auch Ameisensäure untersucht, wobei die 2n-Elektrode selektiv mit Edelme tallen oder aktiviertem Nickel beschichtet war. Auf der Sauerstoffseite wurden sowohl molekularer Sauerstoff direkt verwendet als auch Wasserstoffperoxid, wobei die Oberflä chen der 2p-Elektrode aus präparierter Kohle oder mit Silber aktiviertem Nickel bestand.If one follows the thickly drawn path in FIG. 3, one arrives at the fuel cells which work with hydrocarbons dissolved in the electrolyte. Various alcohols and also formic acid were examined, the 2n electrode being selectively coated with precious metals or activated nickel. On the oxygen side, both molecular oxygen and hydrogen peroxide were used directly, the surface of the 2p electrode consisting of prepared carbon or nickel activated with silver.

In der DE 22 00 054 B2 wird eine Brennstoffzelle beschrieben, die in den Körper implantierbar ist, und die hinsichtlich der Edukte und Produkte in die Kreisläufe der Körperflüssigkeiten eingebunden ist. Als Elektronendonor wird die im Blut gelöste Glucose verwendet, als Elektronen/Protonenakzeptor der mit dem Blut parallel dazu transportierte molekulare Sauerstoff. Die Produkte der chemoelektrischen Reaktion werden ebenfalls über das Blut abgeführt. Um einen chemischen Kurzschluß innerhalb dieser Anordnung möglichst weitgehend zu vermeiden, werden Vorkehrungen getroffen, um zunächst den Sauerstoff an der positiven Elektrode selektiv zu binden und die Glucose zur negativen Elektrode möglichst frei von Sauerstoff passieren zu lassen. Dieses Verfahren wird auch in der Veröffentlichung von J. R. Rao, G. Richter et al. ("Biobrennstoffzellen als Stromquellen . . ." in: Ber. d. Bunsen-Gesellschaft, Bd. 77 Nr. 10/11 (1973), S. 787-790) näher diskutiert. Ein weiteres Verfahren wird in der DE 20 05 602 A1 beschrieben. Hier handelt es sich um eine Brennstoffzelle, in der Redox-Paare, die Metall enthalten, an Elektroden, die vorzugsweise das gleiche Metall enthalten, Elektronen abgeben oder aufnehmen, und die jeweils durch im Elektrolyten gelöste Reduktions- bzw. Oxidationsmittel innerhalb der Elektrodenräume regeneriert werden. Als Reduktionsmittel werden organische Substanzen, insbesondere Saccharide vorgeschlagen. Hierbei wird insbesondere die Möglichkeit hervorgehoben, Oligo- und Monosaccharide direkt im Elektrodenraum in Anwesenheit der Redox-Paare durch Hydrolyse eines Polysaccharids wie Stärke und Cellulose zu bilden.DE 22 00 054 B2 describes a fuel cell which is implantable in the body, and which with regard to the educts and products in the cycles the body fluids are involved. As an electron donor the glucose dissolved in the blood is used as Electron / proton acceptor in parallel with the blood molecular oxygen transported to it. The products the chemoelectric reaction is also carried out via the Blood drained. To a chemical short within to avoid this arrangement as much as possible, precautions are taken to first remove the oxygen to bind selectively to the positive electrode and the Glucose to the negative electrode is as free of oxygen as possible to let happen. This procedure is also used in the publication by J.R. Rao, G. Richter et al. ("Biofuel cells as power sources..." In: Ber. D. Bunsen Society, Vol. 77 No. 10/11 (1973), pp. 787-790) discussed in more detail. Another method is described in DE 20 05 602 A1. This is a Fuel cell in which redox pairs containing metal on electrodes, preferably the same metal contain, donate or accept electrons, and the in each case by means of reduction or Oxidizing agent regenerated within the electrode spaces will. Organic as reducing agents Substances, especially saccharides, are proposed. Here in particular the possibility is highlighted Oligosaccharides and monosaccharides directly in the electrode compartment in Presence of the redox pairs by hydrolysis of a polysaccharide how to form starch and cellulose.

Das Schema der Fig. 4 läßt die drei grundsätzlichen Möglichkeiten auf der Sauerstoffseite erkennen: (Die Potentiale beziehen sich auf die Wasserstoff- Elektrode) . The scheme of Figure 4 reveals the three basic options on the oxygen side: (The potentials are related to the hydrogen electrode)

1. Molecular oxygen is directly at the 2p electrode by picking up two Electrons reduced, by taking up two protons, H₂O₂ is formed, but in one subsequent reaction is decomposed to molecular oxygen. The potential is in acidic medium 0.695V.
2. Molecular oxygen is reduced to hydrogen with H₂O₂ outside the electrode adorns, this breaks down into water and atomic oxygen, which chemoelectrically according the model presented above is used. By picking up two electrons the 2p electrode and the absorption of two protons creates water. The potential is 1.763V in the acid medium.
3. The two reactions 1 and 2 are carried out in two successive steps run, although in the lossless case the chemoelectrically formed H₂O₂ decomposes, the released atomic oxygen but on the formation of molecular oxygen ge is prevented and is fully available. The potential is then a mixed potential of (0.695 + 1.763) / 2 V = 1.229V.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen chemoelektrischen Wandler, der gemäß dem oben erläuterten und in Fig. 2 gezeigten Unterschied zu Brennstoffzellen zum Stand der Technik mit Reaktionszentren, mit davon getrennten, inerten, elektronisch leitenden 2n- und 2p-Elektroden arbeitet, und einen internen Transportmechanismus zum Transport der Elektronenpaare besitzt.The present invention relates to a chemoelectric converter which operates according to the above-explained and shown in Fig. 2 difference to fuel cells of the prior art with reaction centers, with separate, inert, electronically conductive 2n and 2p electrodes, and an internal Has transport mechanism for the transport of the electron pairs.

Fig. 5 zeigt die Struktur des Wandlers. RZD1 ist das erste der beiden Reaktionszentren auf der Donorseite. In ihm wird der C6-Zucker Glucose in zwei C3-Zucker (Glycerin aldehyd und Dihydroxyaceton) zerlegt, welche die eigentlichen reduzierenden Substanzen darstellen. RZD2, das zweite Reaktionszentrum auf der Donorseite, bewirkt dann die Aufspaltung des von den C3-Zuckern übertragenen atomaren Wasserstoffs in Elektronen paare und Protonen. Es handelt sich hierbei gemäß dem biologischen Vorbild um Mole küle, deren Struktur einerseits die Bildung von Komplexen mit Metallkationen ermöglicht, und deren Bindungsverhältnisse sie außerdem dazu befähigen, Elektronen und Protonen aus den C3-Bruchstücken des Zuckers kurzfristig aufzunehmen und an das Metallkation weiterzuleiten. Erst das Metallkation Me(D)²⁺, wenn reduziert, beispielsweise metallisches Wismut, ist dann der (sekundäre) Donor für Elektronen, der auf dieser Seite den Elektro nen-(Paar-) Transport übernimmt, und der im Prinzip die negative Elektrode des chemo elektrischen Wandlers auflädt. (Aus technischen Gründen kann, wie am Ende gezeigt werden wird, ein weiterer Überträger als tertiärer Donor eingeschaltet werden). Fig. 5 shows the structure of the transducer. RZD1 is the first of the two reaction centers on the donor side. In it, the C6 sugar glucose is broken down into two C3 sugars (glycerol aldehyde and dihydroxyacetone), which are the actual reducing substances. RZD2, the second reaction center on the donor side, then splits the atomic hydrogen transferred from the C3 sugars into electron pairs and protons. According to the biological model, these are molecules, the structure of which on the one hand enables the formation of complexes with metal cations, and the binding relationships of which also enable them to absorb electrons and protons from the C3 fragments of the sugar at short notice and pass them on to the metal cation. Only the metal cation Me (D) ²⁺ , if reduced, for example metallic bismuth, is the (secondary) donor for electrons, which takes over the electron (pair) transport on this side, and which in principle is the negative electrode of the chemo electric converter charges. (For technical reasons, as will be shown at the end, another transmitter can be switched on as a tertiary donor).

Fig. 6 zeigt Moleküle, die als Reaktionszentrum RZD2 Verwendung finden wie beispiels weise Tartrate und Citrate. NYLANDER′s Lösung und auch FEHLING′s Lösung beispielsweise können die Funktion der Donorseite insgesamt übernehmen. Fig. 6 shows molecules that are used as the reaction center RZD2 such as tartrate and citrate. NYLANDER’s solution and FEHLING’s solution, for example, can take over the function of the donor side as a whole.

Die Verwendung von Reaktionszentren ist nicht nur auf die Wasserstoff führende Seite - die Donorseite - des chemoelektrischen Wandlers beschränkt, sondern tritt wie in biologi schen Systemen auch auf der Sauerstoffseite - der Akzeptorseite - auf. Auch der Elektro nen-(Paar-)Transport geschieht in ähnlicher Weise. Das Reaktionszentrum RZA1, bei spielsweise ein Flavin, ein Chinon oder Anthrachinon, ist in der Lage, Elektronen und Protonen aufzunehmen, gleichzeitig ein Sauerstoffmolekül zu binden und dann jeweils ein Elektronenpaar und ein Protonenpaar an das Sauerstoffmolekül abzugeben, so daß Wasserstoffperoxid H₂O₂ entsteht. Es sei angemerkt, daß diese Reaktion auch technisch Verwendung findet beispielsweise im Anthrachinonverfahren und im Isopropanolverfahren zur Erzeugung von H₂O₂, aber auch in Form der Chinhydron-Elektrode in der Elektrochemie eine wichtige Rolle gespielt hat.The use of reaction centers is not only on the hydrogen-leading side - the donor side - the chemoelectric converter is limited, but occurs as in biologi systems also on the oxygen side - the acceptor side. The electronics too NEN (pair) transport happens in a similar way. The reaction center RZA1, at for example a flavin, a quinone or an anthraquinone, is able to transfer electrons and Record protons, bind an oxygen molecule at the same time and then one at a time To deliver a pair of electrons and a pair of protons to the oxygen molecule so that Hydrogen peroxide H₂O₂ is produced. It should be noted that this reaction is also technical For example, it is used in the anthraquinone process and in the isopropanol process for the production of H₂O₂, but also played an important role in electrochemistry in the form of the quinhydron electrode Has.

Das Reaktionszentrum RZA2 hat die Aufgabe, den vom H₂O₂ transportierten atomaren Sauerstoff zu binden, an der Rekombination zu molekularem Sauerstoff zu hindern, und ihn beispielsweise mit Metallkationen Me(A)ⁿ⁺ in Verbindung zu bringen, welche die (sekundären) Elektronen-Akzeptoren sind, und die jeweils sein Elektronenpaar von der inerten, elektronisch leitenden 2p-Elektrode durch Wertigkeitswechsel zum Sauerstoff atom transportieren. Das RZA2 ermöglicht es, die in Fig. 4 gezeigte Möglichkeit 2 (die mit dem höchsten Potential) zu verwirklichen. Voraussetzung ist, daß wie auch in biologi schen Systemen Wasserstoffatome über die C3-Zucker vom Reaktionszentrum RZD1 ab gezweigt und auf die Akzeptorseite bewegt werden.The reaction center RZA2 has the task of binding the atomic oxygen transported by the H₂O₂, preventing it from recombining to molecular oxygen and, for example, connecting it to metal cations Me (A) ^{n +} , which are the (secondary) electron acceptors, and each transport its electron pair from the inert, electronically conductive 2p electrode to the oxygen atom by changing the valency. The RZA2 enables option 2 (the one with the highest potential) shown in FIG. 4 to be realized. The prerequisite is that, as in biological systems, hydrogen atoms are branched from the reaction center RZD1 via the C3 sugars and moved to the acceptor side.

Die Verwendung des RZA2 ist nicht unbedingt notwendig, wenn man sich mit einem ge ringeren Potential auf der Akzeptorseite zufrieden gibt. Es ist durchaus möglich, das Reaktionszentrum RZA1 direkt zu verwenden, um mit ihm gemäß der Möglichkeit 1 aus Fig. 4 Elektronen aus der positiven Elektrode zu akzeptieren. RZA1 übernimmt damit auch den Elektronen-(Paar-) Transport. Das erreichbare Potential ist dann auf 0,695 V beschränkt, weil das entstandene H₂O₂ nicht weiter genutzt wird und zerfällt. Der Vorteil liegt jedoch in einer sehr viel einfacheren Reaktionsführung. Man kann auch noch weiter vereinfachen und die Moleküle des RZA2 durch eine die 2p-Elektrode berührende Schicht aus Aktivkohle und beispielsweise MnO₂ ersetzen. (Dann entfällt der Transport und wird durch Leitung bzw. Sprünge ersetzt).The use of the RZA2 is not absolutely necessary if you are satisfied with a lower potential on the acceptor side. It is entirely possible to use the reaction center RZA1 directly in order to accept electrons from the positive electrode according to possibility 1 from FIG. 4. RZA1 also takes over the electron (pair) transport. The achievable potential is then limited to 0.695 V, because the H₂O₂ is no longer used and decays. The advantage, however, lies in a much simpler reaction procedure. One can also simplify even further and replace the molecules of the RZA2 by a layer of activated carbon and, for example, MnO₂, which contacts the 2p electrode. (Then the transport is omitted and is replaced by line or jumps).

Der chemoelektrische Wandler der vorliegenden Erfindung basiert auf der Verwendung von Molekülen als Reaktionszentren, die in der Lage sind, vornehmlich zweiwertige Metallkationen der schwereren Metalle wie beispielsweise Wismut⁺⁺, Kupfer⁺⁺, Quecksil ber⁺⁺ oder Blei⁺⁺ zu komplexieren und bei Anwesenheit von C3-Zuckern zu reduzieren, wie auch molekularen Sauerstoff zu binden und zu H₂O₂ zu reduzieren. Wie der Vergleich der oben erwähnten Moleküle in Fig. 6 zeigt, handelt es sich um Moleküle mit entweder einer zangenartigen Struktur wie beispielsweise Kalium-Natrium-Tartrat oder ein Salz der Zitronensäure, oder um Moleküle mit einem Ring zur Zwischenspeicherung von Elektro nen wie beispielsweise ein Chinon oder Flavin, mit jeweils einer oder zwei Carbonylgrup pen, d. h. einem an Kohlenstoff doppelt gebundenem Sauerstoff.The chemoelectric converter of the present invention is based on the use of molecules as reaction centers, which are able to complex primarily divalent metal cations of the heavier metals such as bismuth, copper, mercury or lead, and in the presence to reduce C3 sugars, as well as to bind molecular oxygen and reduce it to H₂O₂. As shown by the comparison of the above-mentioned molecules in Fig. 6, they are molecules with either a pincer-like structure such as potassium sodium tartrate or a salt of citric acid, or molecules with a ring for the temporary storage of electrons such as a Quinone or flavin, each with one or two carbonyl groups, ie an oxygen double-bonded to carbon.

Die Metallkationen haben die Aufgabe, den Elektronen-(Paar-)Transport von den Reak tionszentren zu oder von den Elektroden her zu übernehmen; es wurde daher bereits wei ter oben von ihrer Rolle als von sekundären Donoren und sekundären Akzeptoren gespro chen. Sie werden auch im folgenden entsprechend ihrer Rolle als Me(D)- bzw. Me(A)- Kationen bezeichnet.The metal cations have the task of transporting the electrons (pairs) from the react to take over to or from the electrodes; it has therefore already become white spoken above of their role as secondary donors and secondary acceptors chen. In the following, they will also be described according to their role as Me (D) - or Me (A) - Cations.

Die Reduktion der Me(D)-Kationen muß, wenn sie zweiwertig sind, nicht immer zum metallischen Zustand (wie beispielsweise im Falle des Bi²⁺) mit der Wertigkeit bzw. dem Oxidationszustand = 0 führen. Es sind Zwischenzustände (wie im Falle des Cu²⁺) möglich; es sind auch Konfigurationen möglich, bei denen das Elektronenpaar oder zwei einzelne Elektronen etwa wie in einem F′- oder F-Zentrum, also in einem Farbzentrum lokalisiert sind, oder etwa in Form von π-Elektronen in einem ringförmigen Molekül beispielsweise zwischengespeichert sind. In allen diesen Fällen ist das Metallkation anwesend und betei ligt, indem es für den Ladungserhalt sorgt.The reduction of the Me (D) cations, if they are divalent, does not always lead to the metallic state (as for example in the case of the Bi ²⁺ ) with the valence or the oxidation state = 0. Intermediate states (as in the case of Cu ²⁺ ) are possible; configurations are also possible in which the pair of electrons or two individual electrons are localized, for example, as in an F′- or F-center, that is to say in a color center, or, for example, in the form of π-electrons in a ring-shaped molecule, for example. In all of these cases, the metal cation is present and involved by maintaining charge.

Ähnliches gilt für die Me(A)-Kationen. Im einfachsten Fall findet wie beispielsweise bei Ce³⁺ ein Wechsel der Wertigkeit bzw. des Oxidationszustandes zum Ce⁴⁺ statt (wobei die ser Wechsel durchaus nur einen sehr kurzen Übergang in einem Zwischenzustand bedeu ten kann), denn es muß ja durch Entzug eines Elektronenpaares quasi ein Löcherpaar erzeugt und transportiert werden. Aber auch hier sind andere Möglichkeiten des Löcher transportes zur positiv aufzuladenden Elektrode möglich. Eine Möglichkeit wurde bereits im Zusammenhang mit dem Einsatz des RZA1 für den Elektronentransport erwähnt (siehe auch Fig. 6): das ringförmige Chinon wandert zur (zunächst als ungeladen betrachteten) Elektrode und transportiert dabei zwei Löcher. An der Elektrode akzeptiert es zwei Elek tronen und erzeugt die 2p-Elektrode, akzeptiert dann zwei Protonen und wandert als Hydrochinon zurück, um am Ort der Einspeisung von O₂ wieder regeneriert zu werden.The same applies to the Me (A) cations. In the simplest case, as with Ce ^3+, for example, there is a change in the valence or oxidation state to Ce ⁴⁺ (although this change can only mean a very short transition in an intermediate state), because it must be by withdrawing an electron pair quasi a pair of holes are generated and transported. But here, too, other ways of transporting holes to the electrode to be positively charged are possible. One possibility has already been mentioned in connection with the use of the RZA1 for electron transport (see also FIG. 6): the ring-shaped quinone migrates to the (initially regarded as uncharged) electrode and thereby transports two holes. It accepts two electrons at the electrode and generates the 2p electrode, then accepts two protons and migrates back as hydroquinone to be regenerated again at the point where O₂ is fed in.

Die Verwendung dieser Moleküle bedeutet nun in technischer Hinsicht, daß keinerlei gas förmige reduzierende oder oxidierende Substanzen mit den eigentlichen Elektroden des chemoelektrischen Wandlers in Berührung kommen - daß also keinerlei Dreiphasengren zen wie beispielsweise bei den PEM-Brennstoffzellen mehr auftreten - und daß weiterhin auch keinerlei Edelmetalle mehr notwendig sind oder aktiviertes Nickel, um chemisch gebundenen Wasserstoff einsetzen zu können.The use of these molecules means technically that no gas shaped reducing or oxidizing substances with the actual electrodes of the chemoelectric converter come into contact - that no three-phase limits zen like PEM fuel cells occur more - and that continues also no more precious metals or activated nickel to chemically to use bound hydrogen.

Der chemoelektrische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung geht aber auch hinsichtlich seines technischen Aufbaues neue Wege, um das Hintereinanderschalten ein zelner Zellen mit den dazu notwendigen komplizierten Zu- und Ableitungssystemen für Edukte und Produkte zu vermeiden. Fig. 7 zeigt einen konzentrischen Aufbau. Dies ge schieht vorteilhafterweise dadurch, daß der Wandler mit Wirbelschichten ausgerüstet ist, und zwar jeweils für die negative und die positive Elektrode, um auf diese Weise die Grenzflächen zur Übertragung der Elektronen um Größenordnungen gegenüber den tech nischen Brennstoffzellen mit ebenen Plattenelektroden zu vergrößern. Das wird erreicht durch eine Wirbelschicht beispielsweise für die negative Elektrode aus hochaktiven, im Elektrolyten suspendierten Graphit-Partikeln, an denen beispielsweise das reduzierte Metall in Form von Flittern als sekundärer Donor reagiert, indem es seine Elektronen an das Graphitpartikel abgibt und dieses damit negativ auflädt. Trifft das so geladene Parti kel der Wirbelschicht auf die eigentliche 2n-Elektrode, die beispielsweise auch aus einem massiven Graphitstab bestehen kann, gibt es dort seine Ladungen ab. Analoges gilt für die positive Elektrode, die ebenfalls mit einer Wirbelschicht umgeben ist, wobei hier aber die Partikel der Wirbelschicht Elektronen an die Elektronen akzeptierenden Moleküle abgibt, so daß die Partikel positiv aufgeladen werden. Die Partikel können als leicht transportable tertiäre Elektronendonoren/-akzeptoren verstanden werden.However, the chemical structure of the chemoelectric converter according to the present invention also breaks new ground in order to avoid the series connection of individual cells with the necessary complicated supply and discharge systems for starting materials and products. Fig. 7 shows a concentric structure. This ge happens advantageously in that the transducer is equipped with fluidized beds, in each case for the negative and the positive electrode, in order to enlarge the interfaces for the transmission of electrons by orders of magnitude compared to the technical fuel cells with flat plate electrodes. This is achieved by means of a fluidized bed, for example for the negative electrode made of highly active graphite particles suspended in the electrolyte, to which the reduced metal in the form of tinsel, for example, reacts as a secondary donor by releasing its electrons to the graphite particle and thus negatively charging it. If the particle of the fluidized bed thus charged hits the actual 2n electrode, which can also consist of a solid graphite rod, for example, it releases its charges there. The same applies to the positive electrode, which is also surrounded by a fluidized bed, but here the particles of the fluidized bed release electrons to the electron-accepting molecules, so that the particles are charged positively. The particles can be understood as easily transportable tertiary electron donors / acceptors.

Der technische Vorteil eines solchen chemoelektrischen Wandlers mit Wirbelschichten ist in der Tat sehr groß. Beträgt beispielsweise das Verhältnis von Elektrodenfläche zu Zellenvolumen einer konventionellen PEM-Zelle rund 0,01 cm^-1, so kann dieser Wert für den Wirbelschichtwandler auf 20 bis 50 cm^-1 gesteigert werden. Die je Liter umgesetzte elektrische Leistung steigt im gleichen Maße auf Werte um etwa 5 bis 10 kW. Der Grund dafür ist, daß bei einer Stromdichte zwischen 0,1 und 1 A cm^-2 durch die sehr großen inne ren Oberflächen der Partikel Austauschströme in der Größenordnung von 10-50 kA in relativ kleinen Volumina erreicht werden können. Ein chemoelektrischer Wandler der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch geringen Materialeinsatz, durch kostengünsti ge Materialien, durch einfache Bauart und dadurch durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus.The technical advantage of such a chemoelectric converter with fluidized beds is indeed very great. For example, if the ratio of electrode area to cell volume of a conventional PEM cell is around 0.01 cm ^-1 , this value can be increased to 20 to 50 cm ^-1 for the fluidized bed converter. The electrical power converted per liter increases to the same extent to values of around 5 to 10 kW. The reason for this is that at a current density between 0.1 and 1 A cm ^-2 , exchange currents in the order of 10-50 kA can be achieved in relatively small volumes due to the very large inner surfaces of the particles. A chemoelectric converter of the present invention is characterized by a low use of materials, by inexpensive materials, by a simple design and thereby by a high level of economy.

Die Verwendung von Kohle-Graphitpartikeln für die Übertragung elektrischer Ladungen für Zwecke der Energiewandlung ist der japanischen Anmeldung 05-166 553 angedeutet, wobei es sich hierbei jedoch nicht um eine Brennstoffzelle, sondern um einen thermoelektrischen Wandler handelt.The use of carbon-graphite particles for the transfer of electrical charges for the purpose of energy conversion the Japanese application 05-166 553 is indicated, but this is not a fuel cell, but is a thermoelectric converter.

Dadurch bedingt sind die Kohlepartikel auch nicht in einem Elektrolyten sondern in organischen nichtleitenden Flüssigkeiten suspendiert.Because of this, the carbon particles are also not in an electrolyte but in organic non-conductive Liquids suspended.

Fig. 1. Teil C: Allen Brennstoffzellensystemen ist das Problem gemeinsam, daß die che moelektrisch erreichbare Spannung in der Größenordnung zwischen etwa 0,7 bis (theore tisch) 1,23 V für H₂-O₂-Zellen liegt, und daß für Zellen mit H₂O₂ als Oxidationsmittel (theoretisch) Spannungen bis über 2 V zu erreichen sein sollten. Tatsächlich liegen die Spannungen insbesondere bei Strombelastung infolge von Nebenreaktionen erheblich tie fer. Der Sachverhalt, der hier betrachtet werden soll, sind aber nicht die potentialmindern den Nebenreaktionen, sondern das Problem, wie sehr hohe Gleichströme niederer Span nung für unsere heutigen technischen Systeme, die auf hohe Spannungen und vornehmlich dreiphasige Drehströme ausgelegt sind, angepaßt werden können. Fig. 1. Part C: All fuel cell systems have the problem in common that the che electroless voltage achievable in the order of about 0.7 to (theoretically) 1.23 V for H ₂ -O₂ cells, and that for cells with H₂O₂ as an oxidizing agent (theoretically) voltages up to over 2 V should be reached. In fact, the voltages are considerably lower, particularly when the current is loaded due to side reactions. The facts to be considered here, however, are not the potential-reducing side reactions, but the problem of how very high direct currents of low voltage can be adapted for today's technical systems, which are designed for high voltages and primarily three-phase three-phase currents.

Der in der Technik übliche Weg besteht darin, viele chemoelektrische Zellen hintereinan der zu schalten, um zu Ausgangsspannungen im Bereich von etwa 100 bis 150 V zu kom men. Mit den Mitteln der heutigen Halbleiterelektronik können dann im Prinzip Dreh ströme variabler Frequenz beispielsweise zum Antrieb von Drehstrom-Asynchronmotoren erzeugt werden.The common way in technology is to have many chemoelectric cells in series the switch to come to output voltages in the range of about 100 to 150 V. men. With the means of today's semiconductor electronics in principle can then turn currents of variable frequency, for example for driving three-phase asynchronous motors be generated.

Diese Möglichkeiten stehen dem chemoelektrischen Wandler der vorliegenden Erfindung ebenfalls zur Verfügung, obgleich hierbei erschwerend wirkt, daß eine Hintereinander schaltung sehr vieler Wandler zwar möglich erscheint, aber nicht wünschenswert ist wegen des damit verbundenen sehr großen Aufwandes. Ohne Hintereinanderschaltung müßten also sehr hohe Gleichströme mit einer Spannung zwischen 1 und 2V umgeformt werden, was wiederum einen sehr großen Aufwand auf elektronischem Gebiet bedeutet.These possibilities are available to the chemoelectric converter of the present invention also available, although this complicates that a series switching of many converters seems possible, but is not desirable because of the very great effort involved. Without cascading very high direct currents with a voltage between 1 and 2V are transformed, which in turn means a great deal of effort in the electronic field.

Ein interessanter Weg, um dieses Problem zu umgehen, der sich jedoch nur auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit gasförmigen Reduktions- und Oxidationsmittel bezieht, ist in der DE 35 03 003 A1 beschrieben. Hier werden beide Gasströme gepulst zugeführt; gleichzeitig werden die Einlässe vertaucht, so daß die Elektroden abwechselnd mit unterschiedlichem Vorzeichen aufgeladen werden. Es entsteht also ein nahezu rechteckiger Wechselstrom, der durch Parallelschaltung mehrerer derartiger Aggregate zu einem Drehstromsystem erweitert werden kann.An interesting way to work around this problem is that However, using only high temperature fuel cells relates to gaseous reducing and oxidizing agents described in DE 35 03 003 A1. Here are both Pulsed gas flows supplied; at the same time Inlets swaged so that the electrodes alternate with different sign are charged. It arises an almost rectangular alternating current, the by connecting several such units in parallel a three-phase system can be expanded.

Der chemoelektrische Wandler der vorliegenden Erfindung kann aber als integraler Bestandteil der nachfolgenden Invertierung auf technisch gebräuchliche Stromarten und Spannungsbereiche angesehen werden. Das ist dadurch bedingt, daß ja parallel zu den Elektronenströmen zwischen negativer und positiver Elektrode ein äquivalenter Protonen strom durch den Elektrolyten geführt werden muß. Dieser Protonenstrom überquert auch die Trennschicht beispielsweise in Form eines Protonen leitenden Diaphragmas oder einer Membran zwischen den beiden Wirbelschichten. Wird in diese Schicht, die ein nicht flüs siger Protonenleiter sein sollte, eine Hilfselektrode in Form eines Gitters eingebracht, so kann durch diese über ein zeitlich variables elektrisches Feld der Protonenstrom und damit die Leistungsabgabe des Wandlers insgesamt gesteuert werden. Diese Anordnung ent spricht damit den Ionenkanälen, wie sie von biologischen Strukturen her bekannt sind. Wird der Protonenstrom mit variabler Frequenz gepulst, so hat das zur Folge, daß auch die Aufladung der Elektroden gepulst wird und mit ihr der Elektrodenstrom durch den elektrischen Verbraucher. Ist der Verbraucher beispielsweise ein Transformator, so kann auf diesem einfachen Wege ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugt werden. Die Zusam menschaltung von beispielsweise 3 derartig gepulsten chemoelektrischen Wandlern, die über ihre Phasenlage miteinander gekoppelt sind, führt somit zur Bildung eines Drehstromsystems.However, the chemoelectric converter of the present invention can be an integral one Part of the subsequent inversion to technically common types of current and Tension ranges can be viewed. This is because parallel to the Electron currents between negative and positive electrodes are equivalent protons current must be passed through the electrolyte. This proton current also crosses the separation layer, for example in the form of a proton-conducting diaphragm or Membrane between the two fluidized beds. Is in this layer that does not flow should be proton conductor, an auxiliary electrode in the form of a grid is introduced, so can by means of a time-variable electric field the proton current and thus the overall power output of the converter can be controlled. This arrangement ent speaks to the ion channels as they are known from biological structures. If the proton current is pulsed with a variable frequency, this also has the consequence that the charge of the electrodes is pulsed and with it the electrode current through the electrical consumers. For example, if the consumer is a transformer, then on this simple Ways a high-frequency alternating current can be generated. The Together Connection of, for example, 3 such pulsed chemoelectric converters are coupled with each other via their phase position, thus leads to the formation of a Three-phase system.

Claims

1. A method for generating electrical energy from renewable - in particular from renewable, not usable for food - biomass, characterized in that

cellulose or hemicellulose obtained from wood or straw is converted into monosaccharides, in particular glucose, by means of acid-catalyzed hydrolysis via oligosaccharides and the "C6 sugar" is split into two "C3 sugars",
- Electrons and / or protons, intermediate storage molecules, which form complexes with divalent metal cations or bind molecular oxygen, are used as reaction centers, which after reduction by the "C3 sugar" to metal or an electron-transferring compound act as donors for electrons or as acceptors serve for electrons and / or protons,
- Electron-conducting particles, in particular graphite particles, which are distributed over two fluidized beds separated by a proton-conducting layer, in which one fluidized bed is negatively charged by accepting electrons originating from the donors and in the other fluidized bed by releasing electrons to the acceptors , and
- The charges of the positively or negatively charged particles within the associated fluidized bed are each given to a central electrode.

2. The method according to claim 1, characterized in that that as an acceptor for electrons and / or protons Hydrogen peroxide or one to release oxygen suitable connection is used.

3. The method according to claim 1, characterized in that molecular oxygen as an acceptor for Electrons and protons are used.

4. The method according to claim 3, characterized in that quinhydrone reduced on the positive electrode and after attachment of protons by molecular Oxygen returned to its original state against which the hydrogen formed Peroxide electrochemically not or only to a limited extent is being used.

5. The method according to claim 3, characterized in that the dissolved oxygen in the electrolyte over with Manganese dioxide activated graphite particles on the positive electrode by taking up protons Hydrogen peroxide is reduced and that the hydrogen peroxide formed electrochemically is not used or is used only to a limited extent.

6. Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the Central electrodes via an electrical consumer be connected together, creating an electron current about the consumer and a proton stream flows through the electrolyte and that the Proton current an electric field that over one in the interface between the two fluidized beds arranged auxiliary electrode on the proton current acts, is suspended, creating a variable frequency get pulsed electric current becomes.

7. Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the central electrodes over in the two fluidized beds the winding of a transformer together be connected, resulting from that through the primary winding of the transformer flowing electron current of the electrochemical converter Alternating currents are generated.

8. The method according to claim 7, characterized in that that by coupling three or more alternating currents generating aggregates three or multi-phase Three-phase currents are obtained.