DE3302635A1

DE3302635A1 - Verfahren zur umwandlung von chemischer in elektrische energie mit thermischer regenerierung

Info

Publication number: DE3302635A1
Application number: DE3302635A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 6900 Heidelberg Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-10-28
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1984-08-02

Description

Verfahren zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mit thermischer Regenerierung Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung P 32 39 992.8

Die vorliegende Zusatzanmeldung bezieht sich auf das vom gleichen Anmelder vorgelegte "Verfahren zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mit thermischer Regene- ^! rierung", bei dem in einem batterieähnlichen System ein elektrischer Strom gewonnen wird.

Zu Verfahren und Vorrichtung der früheren Anmeldung werden zwei Ergänzungen gemacht:

1. eine weitere Art der Elektrode ( zu Patentanspruch 4 ), was eine entsprechende Abänderung der Vorrichtung be-'^:- dingt.

2. ein Verfahren zum Regenerieren des Elektrolyten

( Patentanspruch 6. ), das den thermischen V/irkungsgrad bei der Umwandlung· von V.'arme in elektrische Energie berücksichtigt.

In'der früheren Anmeldung wurde beschrieben, wie scheibenförmige Elektroden z.B. aus Kupfer durch eine Drehbewegung abwechselnd in eine wässrige Ammoniaklösung und in flüssiges Ammoniak eintauchen·. Das unterschiedliche Potential ·.... der Elektroden in den durch eine ionenleitende Trennwand getrennten Elektrolyten dient zur Erzeugung eines elektri-. sehen Stromes.

Zu den in Anspruch 4- genannten Elektroden aus den Metallen Kupfer, Silber und Quecksilber, wird eine Wasserstoffelek-' trode hinzugefügt. Wasserstoff hat in flüssigem Ammoniak ein um etwa 1 Volt negativeres Potential als in wässriger Lösung.

In einer Vorrichtung nach Abb. 1 enthält eine Teilzelle (1) eine Lösung von Ammoniumsalz in flüssigem Ammoniak, während ^^{e durc}k ^ein Diaphragma (2) getrennte Teilzelle (3) eine wässrige Ammoniaklösung enthält. An der Elektrode (4-), die in die Teilzelle (1) eintaucht, geht Wasserstoff in Lösung, und" an der Elektrode (5) der Teilzelle (3) wird gleichzeitig eine äquivalente Kenge Wasserstoff abgeschieden, wenn eine äußere leitende Verbindung zwischen den Elektroden be-

steht.

Die Verwendung einer Wasserstoffelektrode hat den Vorteil, daß keine drehbaren Elektroden erforderlich sind, die abwechselnd in flüssiges Ammoniak und in eine wässrige Lösung eintauchen.

In der wässrigen Lösung steigt während des Betriebs die Konzentration des Ammoniaks. Die konzentrierte Lösung wird in einen Verdampfer (6) geleitet, in dem das Ammoniak gas entweicht. Tier Ammoniakdampf kondensiert bei Abkühlung unter dem eigenen Verdanrofur.gsdruck in einem V/ärrcetauscher (7) und fließt der Teilzelle (1) zu. Der an der Kathode (5) gebildete Asserstoff wird, eventuell unter Zuhilfenahme einer Pumpe (8), an die Elektrode (4) transportiert. Die Wasserstoffelektrode mag nach der von den Brennstoffzellen bekannten Art aus porösem Material gestaltet sein und eine aktive Oberfläche besitzen, die die Spaltung von Hp Molekeln zu H Atomen katalysiert. Die Trennwand zwische den Teilzellen (1) und (3) besteht nach Anspruch δ und 12 der früheren Anmeldung aus einem Diaphragma, einer Membran einer Ionenaustauschermembran oder einer elektrisch leitenden porö.sen Trennwand, die in den Poren einen flüssigen Ionenaustauscher enthält.

Die Verdampfungswärme "ues Ammoniaks ist mit 327 cal/g sehr hoch. Wenn der Anmoniakdampf wie beschrieben unter 'eigenem Druck kondensieren soll, so muß diese Verdanipiungswärme bei der Kondensation wieder abgegeben v/erden. Der größte Teil der bei der Verdampfung des Ammoniaks aus wässriger Lösung zugeführten Energie wird somit bei der Kondensation wieder abgeführt. Der thermische V/irkungsgrad ist darum nicht besonders gut.

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades kann durch eine Vorrichtung nach Art der Abb. 2 erzielt werden. Der Acirnoniakdampf-wird in eine durch die Ventile (10) und (11) absperrbare Kammer des Gefäßes (12) geleitet, die auch mit einem absorbierenden Stoff wie Kalziumchlorid gefüllt sein kann. Der Ammoniakdampf wird nun durch ein Medium, das eine benachbarte Kammer im Gefäß (12) durchströmt, weiter erhitzt

wobei das Ventil (10) geschlossen bleibt. Durch das geöffnete Ventil (11) strömt der gegenüber der Verdampfung=j temperatur überhitzte Aiumoniakdarapf in den Mantel des Verdampfergefäßes (13) und gibt dort unter Verflüssigung die Verdampfungswärme des Ammoniaks ab. Durch ein Druckminderungsventil (14) fließt das flüsnip:e Ammoniak der Teilzelle (15) zu. Eachdem der Druck ausgeglichen ist, de| durch das Erhitzen c3es Ammoniakpc.\ses im Gefäß (IM) zustande kam, wird das Ventil (11) geschlossen und Ventil •(10) geöffnet. V.'enn " run das Ammoniakfran· durch V.'är-r.e.austausch mit einem Medium abgekuV.lt wird, das eine benachbarte Kammer des Gefälles (12) durchströmt, wird weiteres Ammoniakgas angesaugt, das dann nach Schließen des Ventil] (10) und Öffnen des Ventils (11).wie beschrieben erhitzt v/erden kann. Die verdünnte Ammoniaklösung aus dem Verdampfergefäß (13) fließt nach Passieren des './ürir.etauscher:: (16) der Teilzelle (17) zu. Der an der Kathode (13) ge- ' bildete Wasserstoff mag wie schon beschrieben, eventuell unter Zuhilfenahme einer Pumpe (19)'an die Anode (20) transportiert werden.

Da man Ammoniak wegen der Gefahr der Zersetzung nicht hoch erhitzen darf, wird eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades in einer Vorrichtung nach Abb. 3 erzielt.; Durch den Kant el (21). des Verdampf ergefiiT-es (22) fließt eine Flüssigkeit oder strömt ein Gas als w&rnievbertragen- , des Medium, das ohne große Probleme (Gefahr der Zersetzung oder der Korrosion)'auf hohe -Temperaturen erhitzt v;erö.en kann wie z.3. Wasser, Kohlendioxid (bis 1000 ⁰C) oder inerte Gase wie die !Edelgase oder - in gewissen Grenzen Stickstoff.

Bei der Verwendung eines wärmeübertragenden I-o^r.iunus, das' während des Betriebs verflüssigt v/erden soll, wird die Flüssigkeit im Mantel (21) Wärme abgeben, die von der wässrigen Ammoniaklösung des Zellenkreislaufs aufgenommen wird. Dem Verdampfergefäß (22) wird damit V/ärme zugeführt. die einen Druck von Ammoniakdampf über der Flüssigkeit erzeugt. Der Ammoniakdampf wird dann in einem V/ärnetauscie· (23) abgekühlt, kondensiert und fließt der Teilzelle (24)

durchströmt das Druckminderungsventil (25) und verdampft unter vermindertem Druck im Wärmetauscher (23). Ein Teil des entstandenen Dampfes oder - wie in Abb. 3 gezeigt ein Teil der Flüssigkeit, die das Druckminderungsventil (25) durchströmt hat, v/ird mittels einer Pumpe (26) in den Überhitzer (27) geleitet, in dem hocherhitzter Dampf erzeugt v/ird. Die Erhitzung mag durch einen Wärmetauschei (28) im Gegenstrom erfolgen. Der Dampf hat durch die hohe Erhitzung einen hohen Druck bekommen und strömt nun durch eine Düse (29), wobei der Druck in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Durch seitliche Bohrungen (30) saugt der schnell strömende Dampf den Dampf aus dem Wärmetauscher (23) ab und erzeugt in ihm einen Unterdruck gegenüber den Hantel (21) des Verdampfergefäßes (22). Der anfangs sehne strömende Dampf verliert durch den Saugvorgang seine Geschwindigkeit und einen Teil seiner Wärme bis der Dampf durch den Druck und die Abkühlung verflüssigt v/ird und dann wie beschrieben als Flüssigkeit den Hantel (21) des Verdampfergefäßes (22) durchströmt. Bei der Verwendung eines Gases als wärmeübertragendem Medium ist der Prozess im wesentlichen der gleiche. Da kein Verflüssigen und Verdampfen eintreten, die sehr wärmeinte siv sind, wird eine verhältnismäßig große Menge von Gas den Mantel (21) und den Wärmetauscher (23) durchströmen. Zwischen der Teilzelle (31) und dem Verdampfergefäß (22) mag ein Wärmetauscher (32) angebracht sein, der das höher Temperaturniveau im Verdampfergefäß (22) mit dem niedrige in Teilzelle (31) ausbleicht.

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Claims

Patentansprüche 3 3 U Z Ό 3 O

\\h Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von chemisch;·) in elektrische Energie nach Patentanspruch 1. der Anmeldung P 32 39 992.8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lösung eines Salzes in flüssigem Ammoniak oder in stark ammoniakalischer Lösung V/asserstoff kathodisch in Lösung geht, während gleichzeitig in einer davon durch eine für Ionen durchlässigen Trennwand getrennten wässrigen Ammoniaklösung Wasserstoff anodisch abgeschieden wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige Ammoniaklösung in einem Verdampfergefäß f konzentriert wird. '
3. Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, .. daß der im Verdampfergefäß ausgetriebene Ammoniakdampf in . einem Wärmetauscher gekühlt und verflüssigt wird.
4-. Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet,. . daß der im Verdampfergefäß ausgetriebene Ammoniakdampf noch vreiter erhitzt wird und seine Wärme für die Verdampfung des Ammoniaks im Verdampfergefäß benutzt v/ird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4·., dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoff wie z.B. Kalziumchlorid die Ammoniakdämpfe aus dem Verdampfergefäß absorbiert und daß das absorbierte Ammoniak durch './arme ausgetrieben wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfergefäß durch ein wärmeübertragendes Medium (eine Flüssigkeit oder ein Gas) geheizt v/ird, das auf hohe Temperaturen (weit über die Zersetzungstemperatu^ von Ammoniak) erhitzt v/erden kann, ohne daß d:^:.e Gefahren der Zersetzung oder der Korrosion der durchströmten Gefäße zu groß werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6., dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeübertragendes Medium insbesondere '«-'asser, Stickstoff oder die Edelgase verwendet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6., dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeübertragende Medium nach seiner Iv' arme abgabe im Verdampfergefäß unter vermindertem Druck in einem Wärmetauscher Wärme aus dem verdampften Ammoniakgas aufnimmt .
9.Vorrichtung nach Anspruch 6.,7· und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des wärmeübertregentfen Mediums aus dem Verdampfergefäß oder aus dem Wärmetauscher, der zur Verflüssigung des Ammoniaks dient, in einem Gefäß auf hohe Temperatur erhitzt wird.
10. Vorrichtung'nach Anspruch 9·, dadurch gekennzeicl.net, daß die Erhitzung durch einen Wärmetauscher im Gegenstrom !.erfolgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9·, dadurch gekennzeichnet, da.¹?, das hocherhitzte wärmeübertragende Medium durch eine Düse strömt und unter Verminderung seiner Geschwindigkeit und seiner Temperatur einen weiteren Teil dieses Mediums aus dem Wärmetauscher zur Verflüssigung des Ammoniaks absaugt und schließlich dem Mantel des Verdampfergefäßes zur Verdampfung des Ammoniaks aus der wässrigen Lösung zufließt.

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