JPH06215791A - Thermoelectrochemical apparatus and method - Google Patents

Thermoelectrochemical apparatus and method

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JPH06215791A
JPH06215791A JP638A JP80000788A JPH06215791A JP H06215791 A JPH06215791 A JP H06215791A JP 638 A JP638 A JP 638A JP 80000788 A JP80000788 A JP 80000788A JP H06215791 A JPH06215791 A JP H06215791A
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Abstract

PURPOSE: To simply, safely enhance efficiency of a device by forming a battery with an ion permeable barrier in common, an anode section and a cathode section each has the required solution, and treating the reaction product from each section with a heat exchanger, a flushing stripper, and a condenser. CONSTITUTION: An electrochemical battery 10 is formed with an ion permeable barrier 20 in common, an anode section 16, and a cathode section 18 having an anode 22 and a cathode 24 respectively. An anode solution which consists of a concentrated solution of strong Brϕn sted acid, consumes hydrogen ions during generation of current, and generates hydrogen gas and a first cell reaction product is supplied to the anode section, and a cathode solution which is a molten salt solution, reduces hydrogen gas concentration in the anode section 16, and produces a second cell reaction product is supplied to the cathode section 18. These reaction products are treated with a heat exchanger 30, a flushing stripper 12, and a condenser 14, and supplied to the battery 10. By the simple constitution and use of environmentally safety electrolyte, the efficiency of a device is simply, safely enhanced.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、全般的に熱再生電気化学装置及び方 法に関するものである。具体的には、本発明は燐 酸及び燐酸アンモニウムを酸濃縮電池の作動流体 として使う改良された熱電気化学装置及び方法に 関するものである。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to heat regenerative electrochemical devices and methods. Specifically, the present invention relates to improved thermoelectrochemical devices and methods that use phosphoric acid and ammonium phosphate as the working fluids of acid concentrating batteries.

(従来の技術) 熱電気化学装置又は再生電気化学装置は1950 年代以来広く研究されてきた。これらの装置では、 電気化学的電池(燃料電池、電池、ガルヴァーニ 電池、EMF電池など)内に生じる作動物質は熱 エネルギを導入することにより再生させる。これ らの装置は、多くの場合電気化学的活性電極反応 物が電気的ではなく熱的に生まれる点を除けば、 多くの点で2次電池と同じである。(Prior Art) Thermoelectrochemical devices or regenerated electrochemical devices have been extensively studied since the 1950s. In these devices, the working substances produced in electrochemical cells (fuel cells, cells, galvanic cells, EMF cells, etc.) are regenerated by the introduction of thermal energy. In many respects, these devices are similar to secondary batteries, except that the electrochemically active electrode reactants are often produced thermally rather than electrically.

熱的に再生される電気化学的装置の代表的なも のは、1)1981年9月29日付のKrumpelt他によ る米国特許4,292,378号、2)1983年10月18日付 のLoutfy他による米国特許4,410,606号、及び 1970年10月27日付のAnthes他による米国特許 3,536,530号に発表されている。Athens他の装 置には、塩化テルル電気化学的電池及び塩化ガリ ウム及び塩化アルミニウムなどの錯化剤を使って 約550℃の温度で電極反応物を熱的に再生する再 生装置が含まれている。 Typical of thermally regenerated electrochemical devices are: 1) Krumpelt et al., U.S. Pat. No. 4,292,378, Sept. 29, 1981; 2) Loutfy et al., U.S., Oct. 18, 1983. No. 4,410,606 and U.S. Pat. No. 3,536,530 issued by Anthes et al. On October 27, 1970. The Athens et al. Device includes a tellurium chloride electrochemical cell and a regenerator that thermally regenerates the electrode reactants at temperatures of about 550 ° C. using complexing agents such as gallium chloride and aluminum chloride. ing.

Krumpelt他は、アルミニウム金属電極及び塩化 エチルピリジニウム溶媒と塩化アルミニウムとか らなる電解液を使った熱電気化学的濃縮電池を記 述している。電流は、陽極におけるアルミニウム ・イオン濃度を低く陰極における濃度を高くなる ように濃度傾度を維持することにより、電極間に 発生する。Krumpelt他の系における濃度傾度は、 蒸留器内で絶えず電解液を循環させ、低沸点の塩 化アルミニウムが留出してアルミニウム・イオン 濃度の高い留出物とアルミニウム・イオン濃度が 低い下部フラクションとを得ることによって維持 されている。アルミニウム・イオンの多い留出物 は陰極で飛散するアルミニウム・イオンを補給す るため陰極へ送られ、アルミニウム・イオンの少 ない下部フラクションは電流の発生中に生じるア ルミニウム・イオンを希釈するため陽極に戻され る。Krumprlt他はさらに、鉄、アンンチモン及 びシリコン電極を、各種アルカリ金属、インジウ ム、アンモニアの塩及びPOHとSOH(H はハロゲン化物)などのイオン溶媒と組合わせて 使うことにも言及している。Krumpelt et al. Describe a thermoelectrochemical concentrator battery using an aluminum metal electrode and an electrolyte consisting of ethylpyridinium chloride solvent and aluminum chloride. An electric current is generated between the electrodes by maintaining the concentration gradient such that the concentration of aluminum ions at the anode is low and the concentration of aluminum ions at the cathode is high. The concentration gradient in the system of Krumpelt et al. Is that the electrolytic solution is constantly circulated in the distiller to distill low-boiling aluminum chloride and distillate with high aluminum ion concentration and lower fraction with low aluminum ion concentration. Is maintained by gaining. The distillate rich in aluminum ions is sent to the cathode to replenish the scattered aluminum ions at the cathode, and the lower fraction depleted in aluminum ions is diluted to dilute the aluminum ions generated during the generation of the electric current, and is the anode. Returned to. Krumprlt et al. Further mention the use of iron, antimony and silicon electrodes in combination with various alkali metals, indium, salts of ammonia and ionic solvents such as POH 3 and SOH 3 (H is a halide). ing.

Loutfy他は、水溶液内における銅の特殊な特性 に基づく熱電気化学系を発表している。硫酸など の非錯化媒質内では、CU(II)/CU(I)及 びCU(I)/CU(0)のカップルのレドック ス電位は第1銅のイオンの方が第2銅よりも不安 定であるという順序を示す。硫酸内のアセトニト リルのようなある種の錯化媒質内では第2銅錯体 の方が第1銅イオンよりも安定であるため銅電極 の電位が反転する。Loutfy他は、銅の水溶液内 でのこの特性を利用し、錯化剤のいろんな濃度を 持った電解液を使って電位を発生する電気化学的 電池を提案した。所望の範囲内の錯化剤の濃度を 維持するため、電解液は絶えず電池から取り除か れ、少なくとも溶剤から錯化剤を除去するため熱 的に処理される。 Loutfy et al. Have published a thermoelectrochemical system based on the special properties of copper in aqueous solution. In uncomplexed media such as sulfuric acid, the redox potentials of the CU (II) / CU (I) and CU (I) / CU (0) couples are higher in the cuprous ion than in the cupric ion. Show the order of anxiety. In some complexing media such as acetonitril in sulfuric acid, the potential of the copper electrode is reversed because the cupric complex is more stable than the cuprous ion. Loutfy et al. Proposed an electrochemical cell that takes advantage of this property of copper in an aqueous solution to generate an electric potential using electrolytes with various concentrations of complexing agents. In order to maintain the concentration of complexing agent in the desired range, the electrolyte is constantly removed from the cell and at least thermally treated to remove the complexing agent from the solvent.

(発明が解決しようとする課題) 上述の装置は彼等の考える目的には適している が、反応物の熱的再生及び高出力密度での生成物 の発生の効率を最大としそれ自体の効率とともに 系全体の効率を最大にするには、なお付加的な熱 電気化学装置を備える必要がある。知られている 装置の多くには複雑なポンプ装置、配管、及び分 離装置が含まれるので装置の経費を高め効率を下 げている。さらに、現在使われている電解液は、 錯化剤とか反応物濃度の緊密な制御を必要とする 複雑な反応物を含んでいる。したがって、絶えず 単純化された電解質組成と単純化された熱的再生 装置を有し、しかも適切な装置効率の上がる熱電 気化学装置を備える必要がある。また、容易に安 くで入手でき重大な環境問題を起こすことのない 普通の電解質材料が使える熱電気化学装置の実現 することが望ましいだろう。(Problems to be Solved by the Invention) Although the above device is suitable for their purposes, it maximizes the efficiency of thermal regeneration of the reactants and the generation of products at high power densities and their own efficiency. In addition, additional thermoelectrochemical equipment must still be provided to maximize overall system efficiency. Many of the known devices include complex pumping equipment, plumbing, and decoupling equipment, which increases equipment cost and efficiency. In addition, currently used electrolytes contain complexing agents and complex reactants that require tight control of reactant concentrations. Therefore, it is necessary to have a thermoelectrochemical device that has a constantly simplified electrolyte composition and a simplified thermal regenerator, and that has appropriate device efficiency. It would also be desirable to have a thermoelectrochemical device that could be easily and cheaply obtained and that could use common electrolyte materials without causing serious environmental problems.

(発明が解決しようとする課題) 本発明により、電気化学的電池内の反応物質が 単純で効率的に熱的に再生される装置及び方法が 提供される。装置は濃縮された酸に浸漬した陰極 と溶融塩溶液に浸漬した陽極の間に電流が発生す るという原理によっている。電流の発生により消 費される酸及び塩は熱的に再生される。 (Problems to be Solved by the Invention) According to the present invention, there is provided an apparatus and a method in which reactants in an electrochemical cell are simply and efficiently thermally regenerated. The device is based on the principle that an electric current is generated between a cathode immersed in concentrated acid and an anode immersed in a molten salt solution. Acids and salts consumed by the generation of electric current are regenerated thermally.

本発明による熱電気化学装置は基本的に陰極区 画と陽極区画を有する電気化学的電池を含んでい る。両区画には共通のイオン透過隔壁がある。陰 極及び陽極はそれぞれの区画内にあり、両極間に 電圧及び電流を発生するために装置外部からの接 続が可能である。 The thermoelectrochemical device according to the present invention basically comprises an electrochemical cell having a cathode compartment and an anode compartment. Both compartments have a common ion-permeable partition. The negative electrode and the positive electrode are in their respective compartments, and can be connected from outside the device to generate voltage and current between both electrodes.

選ばれた強いブレンステッド酸(Bronsted acid)の濃縮水溶液からなる陰極溶液は陰極区画 内に陰極と接触して置かれる。装置の運転中には、 陰極において水素ガス及び第1のセル反応生成物 が生じ、水素イオンが消費される。装置にはまた 選ばれた溶融塩からなる陽極溶液が陽極区画に陽 極と接触して置かれる。装置の運転中には水素ガ スが消費され、第2のセル反応生成物を生じる。 A catholyte solution consisting of a concentrated aqueous solution of a selected strong Bronsted acid is placed in contact with the cathode in the cathode compartment. During operation of the device, hydrogen gas and first cell reaction products are generated at the cathode and hydrogen ions are consumed. The device is also provided with an anolyte solution of the selected molten salt in contact with the cathode in the anode compartment. Hydrogen gas is consumed during operation of the unit, producing a second cell reaction product.

陰極区画内に生じた第1のセル反応生成物を前 記選ばれた酸及び中間再生生成物に熱的に変換す るための熱化学的再生器が設けられる。陰極溶液 を陰極区画から熱的再生器に送る手段もまた設け られる。熱的再生器で形成された酸を陰極区画に 送り返して電流の発生中に消費された酸を補給す る陰極再生手段もまた設けられる。 A thermochemical regenerator is provided for thermally converting the first cell reaction product formed in the cathode compartment to the acid and intermediate regeneration product selected above. Means are also provided for delivering the catholyte solution from the cathode compartment to the thermal regenerator. Cathode regeneration means are also provided to send the acid formed in the thermal regenerator back to the cathode compartment to replenish the acid consumed during the generation of the current.

熱的再生器で形成された中間再生生成物を陽極 区画内で形成された第2のセル反応生成物と結合 させて溶融塩を形成するための溶融塩の再生手段 もまた設けられる。この結合反応から生じる熱の 除去手段もまた設けられる。結合手段内で形成さ れる塩は再生されて陽極区画に戻され、電流の発 生中に消費された塩を補給する。 Means for regenerating the molten salt for combining the intermediate regeneration product formed in the thermal regenerator with the second cell reaction product formed in the anode compartment to form a molten salt is also provided. Means for removing heat resulting from this binding reaction are also provided. The salt formed in the binding means is regenerated and returned to the anode compartment to replace the salt consumed during the generation of the electric current.

熱的再生器への熱入力のない期間に熱化学的電 池を運転することを望む場合は再生された電解液 をえるためのお貯蔵タンクを設けることができる。 If it is desired to operate the thermochemical cell during periods of no heat input to the thermal regenerator, a storage tank may be provided to hold the regenerated electrolyte.

消費された電解液を熱化学的電池の運転再開まで 集積するための貯蔵タンクもまた設けることがで きる。A storage tank may also be provided for accumulating the spent electrolyte until the thermochemical cell is restarted.

第1の電池反応生成物の選ばれた酸及び中間再 生生成物への熱的変換、及びその後の中間再生生 成物と第2のセル反応生成物との結合による選ば れた塩の形成は、電池の運転中に消費される反応 物質を絶えず補給するエネルギ効率の良い簡単な 方法であり、これによる連続作動の熱電気化学装 置は特に幅広く地上及び宇宙での使用に十分適す るものである。装置には数個の小型ポンプ以外の 可動部品が無く、このため長期間故障が起こらず 整備の少なくて済む運転が予想される。装置は最 低出力・サイクル(bottoming cycle)運転及び 太陽熱組合わせサイクル装置における使用に十分 適している。 Thermal conversion of the first battery reaction product to the selected acid and intermediate regeneration product, and subsequent formation of the selected salt by combining the intermediate regeneration product and the second cell reaction product. Is a simple, energy-efficient and simple way to constantly replenish the reactants consumed during battery operation, which makes continuous-operation thermoelectrochemical equipment particularly well suited for terrestrial and space applications. Is. The device has no moving parts other than a few small pumps, and thus is expected to operate for a long period of time with little maintenance. The equipment is well suited for use in lowest power cycling cycles and solar combined cycle equipment.

上述の特長その他の多くの特長及び本発明の付 随する利点は、この発明が以下の実施例を添付の 図面とともに熟読することにより理解が進むにつ れて明らかになるだろう。 The features described above and many others, and the attendant advantages of the invention, will become apparent as the invention is better understood upon reading the following examples in conjunction with the accompanying drawings.

(実施例) 理解を容易にするため、本発明の説明は先ず燐 酸及び燐酸アンモニウムを作動流体として使った 具体例から始め、次にもっと一般的な条件につい て述べる。EXAMPLES For ease of understanding, the description of the present invention begins with a specific example using phosphoric acid and ammonium phosphate as the working fluid, and then describes more general conditions.

本発明による装置の雛形は図式的に第1図に示 されている。装置の基本的に含まれるものは、一 般的に10で示される電解質電池、フラッシュ・ ストリッパー12及び及び電池10内で消費され る反応物質を補給し熱を除去するためのコンデン サ14である。電気化学的電池10は、陰極区画 16及び陽極区画18を持った通常の電気化学的電 池である。この2つの区画は共通のイオン透過隔 壁20によって仕切られている。隔壁20は通常 の多孔性材料又は150℃で硫酸に侵されない半透 膜とすることができる。湿潤性多孔質テフロンな どの陰イオンと陽イオンに対する選択性のない微 小孔膜がこの目的に適しており、デュポンが扱っ ているNAFIONなどの陽イオン透過膜を使 うのが望ましい。A model of the device according to the invention is shown diagrammatically in FIG. Basically included in the apparatus is an electrolyte battery, generally indicated at 10, a flash stripper 12 and a capacitor 14 for replenishing the reactants consumed in the battery 10 and removing heat. . The electrochemical cell 10 is a conventional electrochemical cell having a cathode compartment 16 and an anode compartment 18. The two compartments are separated by a common ion permeation barrier 20. The partition wall 20 can be an ordinary porous material or a semipermeable membrane that is not attacked by sulfuric acid at 150 ° C. Microporous stoma film without selectivity for wettable porous teflon for any anions and cations are suitable for this purpose, using the cation permeable membrane such as NAFION R DuPont is dealing Uno is desirable.

電気化学的電池10には陰極22と陽極24が 含まれる。陰極及び陽極は、白金や多孔質でない パラジウム−銀合金電極とか多孔質グラファイト −テフロン白金めっき燃料電池電極のような不活 性のもの、即ち電極反応により変化しない又は侵 されないものでなければならない。後者の場合、 その典型的な構造は、電極の平行フィート当り約 0.25グラムの白金を含み電流を集めることができ るようにグラファイトの裏打ち板が備わっている。 The electrochemical cell 10 includes a cathode 22 and an anode 24. The cathode and anode must be inert, such as platinum or non-porous palladium-silver alloy electrodes or porous graphite-Teflon platinized fuel cell electrodes, i.e., unaltered or attacked by the electrode reaction. In the latter case, the typical structure contains about 0.25 grams of platinum per parallel foot of electrode and is equipped with a graphite backing plate to allow current collection.

別の方法として、集電用のタンタル網スクリーン を設け多孔質テフロン板で裏打ちされる場合もあ る。パラジウム合金電極もまた、電極を通してア ンモニアが通過しないために燃料電池陽極用電極 として好ましいことに留意しなけれねばならない。Alternatively, a tantalum net screen for current collection may be provided and lined with a porous Teflon plate. It should be noted that the palladium alloy electrode is also preferable as the electrode for the fuel cell anode because ammonia does not pass through the electrode.

本発明の過程に用いられる条件とほとんど同じ使 用条件での既知の燐酸燃料電池におけるこれらの 各種電極の性能に基づき、触媒毒もないのでこれ らの電極は約10万時間の整備なしでの使用寿命 が予想される。電極22及び24は電流及び電圧 を発生するため外部回路(図示されていない)と 接続することができる。外部回路としては電池10 により発生する電気エネルギを利用する電動機そ の他の装置がある。Based on the performance of these various electrodes in known phosphoric acid fuel cells under almost the same operating conditions as those used in the process of the present invention, there is no catalyst poison, so these electrodes require approximately 100,000 hours of maintenance. Expected service life. Electrodes 22 and 24 can be connected to external circuitry (not shown) to generate current and voltage. The external circuit includes a motor and other devices that use the electric energy generated by the battery 10.

燐酸及びその塩は、その酸化状態が非常に安定 しているので、本発明の実施のための電解質及び 作動流体として十分適している。更に、これらは 系統的に脱水して一連のオルト−、ピロ−及びメ タ燐酸塩を形成する。オルト及びピロ燐酸アンモ ニウム混合物として、これらは低融点の溶融塩を 形成する。三塩基酸として、オルト燐酸の3つの 酸解離定数は25℃で10-2から10-13という広い範 囲にまたがっており、これは酸濃縮電池にとって 好ましい姿である。塩から生じたアンモニアの蒸 気圧はかなり高いが、燐酸塩からのPの蒸 気圧はかなり低いので、アンモニアがその塩から 気化することによる燐酸基への水素イオンの添加 は便宜の中間温度で比較的容易に行うことができ る。Phosphoric acid and its salts are well suited as electrolytes and working fluids for the practice of the present invention because their oxidation state is very stable. Furthermore, they systematically dehydrate to form a series of ortho-, pyro- and metaphosphates. As a mixture of ortho and ammonium pyrophosphate, these form molten salts with low melting points. As the tribasic acid, the three acid dissociation constants of orthophosphoric acid span a wide range of 10 -2 to 10 -13 at 25 ° C, which is the preferred form for acid concentrating batteries. Since the vapor pressure of ammonia generated from the salt is fairly high, but the vapor pressure of P 2 O 5 from the phosphate is quite low, the addition of hydrogen ions to the phosphate groups due to the vaporization of ammonia from the salt is a convenient intermediate. It can be done relatively easily at temperature.

第1図に示されている陰極区画16における電 解質は溶融酸−塩の混合剤又は燐酸水素アンモニ ウム(ammonium hydric phosphates)と燐酸の水 溶液であることが望ましく、オルト燐酸(HP O)、ピロ燐酸(H)、メタ燐酸 (HPO、及びNHPO及びNHPOで代表されるオルト及びピロ燐酸水素 アンモニウムを含むことができる。The electrolyte in the cathode compartment 16 shown in FIG. 1 is preferably a molten acid-salt admixture or an aqueous solution of ammonium hydrogen phosphate and phosphoric acid, preferably orthophosphoric acid (H 3 P O 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), metaphosphoric acid (HPO 3 ) n , and ortho and ammonium hydrogen pyrophosphate represented by NH 4 H 2 PO 4 and NH 4 H 2 PO 7. You can

陽極区画18内の電解質は(NHPO、 (NH、(NHHPO及 び(NHによるオルト及びピロ燐 酸アンモニウム、そしてオルト及びピロ燐酸水素 アンモニウムの混合物であることが望ましい。こ れらの塩の組合わせは融点が約160℃の溶融塩を 形成する。電池を高い放電率で使用すれば、燐酸 アンモニウムは完全に反応しいくらかの二塩基塩 (dihydric salt)が形成されるだろう。オルト燐 酸、メタ燐酸及びピロ燐酸そしてそれらの塩はい ろんな程度に脱水している。オルト、メタ、ピロ の比率は装置内の水の量を加減して制御すること ができ、これが逆に装置の運転性能に影響を与え る。The electrolyte in the anode compartment 18 (NH 4) 3 PO 4, (NH 4) 4 P 2 O 7, (NH 4) 2 HPO 4及beauty ortho- and ammonium pyrophosphate by (NH 4) 3 P 2 O 7 , And a mixture of ortho and ammonium hydrogen pyrophosphate is preferred. The combination of these salts forms a molten salt with a melting point of about 160 ° C. If the cell is used at high discharge rates, ammonium phosphate will form some dihydric salt which is not fully reactive. Orthophosphoric acid, metaphosphoric acid and pyrophosphoric acid and their salts are dehydrated to varying degrees. The ratio of ortho, meta, and pyro can be controlled by adjusting the amount of water in the equipment, which adversely affects the operating performance of the equipment.

装置に加えるべき水の量を決めるための鍵とな る要素の1つは、電池の隔壁膜として使われる陽 イオン交換膜を通しての水並びにアンモニウムイ オンの移送を根拠とするものである。水とアンモ ニウムイオン(HO/NH+ 4)との移送量のモ ル比は約1:1に維持することが望ましい。陽極 区画内の溶融塩が少なくとも溶液内に1:1のモ ル比の水とアンモニむイオン(HO/NH+ 4) を含んでいれば、この比を実現することができる。One of the key factors in determining the amount of water to be added to the device is based on the transport of water and ammonium ion through the cation exchange membrane used as the cell diaphragm membrane. It is desirable to maintain the mole ratio of water and ammonium ion (H 2 O / NH + 4 ) transfer rate at about 1: 1. This ratio can be achieved if the molten salt in the anode compartment contains at least a 1: 1 molar ratio of water and ammonia ions (H 2 O / NH + 4 ) in the solution.

ここで使われている「溶融塩溶液」という用語 は、溶融塩及び少量の水からなる溶液を指してい る。ここで使われている「濃縮水溶液」とは、最 小の量の水を含む濃縮燐酸などの濃縮溶液を指す。 As used herein, the term "molten salt solution" refers to a solution consisting of molten salt and a small amount of water. As used herein, "concentrated aqueous solution" refers to a concentrated solution such as concentrated phosphoric acid containing a minimum amount of water.

装置内の水の量は、セル生成物と再生生成物とを 移送するのに役立ち装置の流動性を維持するに十 分でなければならない。しかし、ストリッパー内 の溶媒水の蒸発が少なくなり装置の効率が下がる ほど水分が多すぎてはならない。本発明のこの面 については以下に詳述する。The amount of water in the equipment should be sufficient to help transfer cell and regenerated products and maintain the fluidity of the equipment. However, the water content should not be so high that evaporation of solvent water in the stripper is reduced and the efficiency of the device is reduced. This aspect of the invention is described in detail below.

本発明の過程にしたがう閉ループ系統内の作動 流体は、最初に系統に加えられたアンモニア、燐 酸及び水の量を定めることにより完全に規定され る。装置内の各部におけるこれらの成分の濃度は、 これらの濃度が装置の運転中に自動的に自から確 定し装置の設計と運転条件に依存するので特に規 定されない。しかし陰極区画内では、流入反応物 質溶液の組成は燐酸水素アンモニウムに比べて燐 酸の方が多く、流出液はその逆であると予想され る。陽極区画内では、流入液はアンモニア及びア ンモニウム・イオンが多くて燐酸一水素アンモニ ウム濃度が低く、流出液はその逆となるはずであ る。しかし、陽極区画は広い限界範囲にわたって 作動できるので、流出液は完全にいくつかの燐酸 水素アンモニウムに変換されることができる。装 置に最初に加える望ましい組成については以下に 述べる。 The working fluid in the closed loop system according to the process of the present invention is fully defined by first determining the amount of ammonia, phosphoric acid and water added to the system. Concentrations of these components in each part of the equipment are not specified because these concentrations are automatically determined during operation of the equipment and depend on the design and operating conditions of the equipment. However, in the cathode compartment, the composition of the incoming reactant solution is expected to be more phosphoric acid than ammonium hydrogenphosphate and vice versa for the effluent. In the anode compartment, the influent should be rich in ammonia and ammonium ions and have a low concentration of ammonium monohydrogen phosphate, and the effluent should be the opposite. However, because the anode compartment can operate over a wide range of limits, the effluent can be completely converted to some ammonium hydrogen phosphate. The preferred composition initially added to the device is described below.

電池を通じる電極24から電解質18へ、そし て膜20から電解質16を経て電極22への電気 の通路の抵抗は、装置内の内部損失をできるだけ 減らして効率を高め、高い電流密度をえるため最 小にすることが望ましい。以下の方法が抵抗を最 小にするために使われる。電解質区画18及び16 の厚さの最小化、膜20の厚さの最小化、組成の 調整による電解質の比抵抗の最小化、及び適切な 膜の選定と適切な膜の前処理過程による膜の比抵 抗の最小化がそれである。例えば、多孔質テフロ ン膜を金属ナトリウム分散処理により浸潤性とす る。パーフロロスルフォネートポリマー陽イオン 交換膜は、また、周知の標準的な方法によって予 備処理されて、それが使用される電解液のタイプ に応じた交換プロセス用とされる。本発明の熱力 学サイクルでは、溶媒として用いる水の量は陰極 ループ内ではかなり低く維持しなければならず、 そうしなければ閉サイクルをめぐる水の蒸発や凝 縮のためのエネルギ変換効率を著しく害する。しか し本装置では、陽極と陰極の区画のいずれにおい ても前述の理由から、そして(1)式に示される 代表的な反応による酸とその塩の双方のオルト対 ピロ燐酸塩の比率を確立する一助として少量の水 を必要とする。 The resistance of the electrical pathways from the electrode 24 through the cell to the electrolyte 18 and from the membrane 20 through the electrolyte 16 to the electrode 22 minimizes internal losses in the device to increase efficiency and maximize current density. It is desirable to keep it small. The following methods are used to minimize resistance. The thickness of the electrolyte compartments 18 and 16 should be minimized, the thickness of the membrane 20 should be minimized, the specific resistance of the electrolyte should be minimized by adjusting the composition, and the appropriate membrane selection and membrane pretreatment process should That is the minimization of the specific resistance. For example, a porous tephron membrane is made permeable by metallic sodium dispersion treatment. Perfluorosulphonate polymer cation exchange membranes are also prepared by well known standard methods for exchange processes depending on the type of electrolyte in which they are used. In the thermodynamic cycle of the present invention, the amount of water used as solvent must be kept fairly low in the cathode loop, otherwise the energy conversion efficiency for water evaporation and condensation over the closed cycle will be significantly higher. Hurt. However, in this device, the ratio of ortho to pyrophosphate of both the acid and its salt by the typical reaction shown in the formula (1) is established in both the anode and cathode compartments for the reasons described above. It requires a small amount of water to help.

陽極ループは凝縮ループであり、高温に熱せられ ることはないので、陽極ループでは陰極ループよ りも水の凝固が多いと思われる。塩の混合物の融 点及び酸の粘性を下げるため、オルト及びピロ燐 酸塩がともに存在し、あるいは両燐酸塩と水がと もに存在することが必要である。水もまた必要で あるが、その理由は水がポリ燐酸塩ポリマー鎖の 崩壊の触媒作用をし高い流動性を維持することに ある。水と燐酸とアンモニアの適正な量は次の方 法で装置に加えることができる。装置を密封する 前に最初に作動流体を加える際は、約1部の(重 量百分率で約20-100%のHPOの水溶液から の)HPO、約1〜4部の(NHHP O、及び約1部のNHPOがある。こ こにいう部はモル・ベースで規定される。各部は 先ず混合され、次に陽極及び陰極区画の双方に加 えられる。混合された各部は、加熱により水やア ンモニアの損失がないように注意を払えば、装置 に加える前に予熱を行うことができる。装置に加 える前に約200-230℃に加熱してから約150℃に 冷却することにより過冷却が起こるので流動性が 良くなって装置への充填が容易になる。20〜100 %のHPOは所要の水を供給する役をし、こ れは後のオルト燐酸塩の加熱の際の水の形成につ いても同様である。塩、塩対酸、水対塩と酸の正 確な比率は、装置の設計、所望の温度上限及び下 限、装置の効率と装置の重量との兼ね合い、装置 の効率と装置の容積出力密度間及び装置の効率と 装置の重量分析的出力密度間の兼ね合いに依存す る。装置の設計と要求性能におけるこれらの変数 がどうであるかによって、作動流体の全体的な組 成は、0.1−6部の(NH)2HPO、0.1−2 部のNHPO、0.1−2部の100% HPO及び0.1-50部の水の範囲となる。塩、 (NHHPOとNHPOを共に 0にすることはできない。ここにいう部はモル・ ベースである。また、一部はオルトからピロ燐酸 塩への変換により補給されるが、いくらかの水は 常に必要である。 Since the anode loop is a condensation loop and is not heated to a high temperature, it seems that the anode loop has more water than the cathode loop. In order to reduce the melting point of the salt mixture and the viscosity of the acid, it is necessary that both ortho and pyrophosphates be present, or both phosphates and water be present together. Water is also required because it catalyzes the collapse of polyphosphate polymer chains and maintains high fluidity. Appropriate amounts of water, phosphoric acid and ammonia can be added to the equipment in the following manner. When adding first working fluid prior to sealing the device, about 1 part (from an aqueous solution of a heavy weight percentage of about 20-100% of H 3 PO 4) H 3 PO 4, about 1-4 parts There is (NH 4 ) 2 HPO 4 , and about 1 part NH 4 H 2 PO 4 . This part is specified on a molar basis. The parts are mixed first and then added to both the anode and cathode compartments. The mixed parts can be preheated before being added to the equipment, taking care that there is no loss of water or ammonia due to heating. Supercooling occurs by heating to about 200-230 ° C before cooling to the device and then cooling to about 150 ° C, which improves fluidity and facilitates filling into the device. 20-100% of H 3 PO 4 is a role to supply the required water, the same can have formed Nitsu of water during the heating of orthophosphate later Re this. The exact ratios of salt, salt-to-acid, water-to-salt to acid are determined by the design of the equipment, the desired upper and lower temperature limits, the efficiency of the equipment and the weight of the equipment, the efficiency of the equipment and the volumetric power density of the equipment. And the efficiency of the device and the gravimetric power density of the device. Depending on whether matter what these variables in the design and performance requirements of the device, the overall set configuration of the working fluid, the 0.1-6 parts (NH 4) 2HPO 4, NH 4 H 2 PO 4 of 0.1-2 parts , 0.1-2 parts of 100% H 3 PO 4 and 0.1-50 parts of water. The salts, (NH 4 ) 2 HPO 4 and NH 4 H 2 PO 4 , cannot both be 0. The parts mentioned here are on a molar basis. Also, some is supplemented by the conversion of ortho to pyrophosphate, but some water is always needed.

上述の装置の陰極と陽極で起こる代表的な反応 は次の式(2)及び(3)で示される。 Typical reactions that take place at the cathode and anode of the device described above are shown in equations (2) and (3) below.

陰極においては HPO+e→1/2H+HPO4 - (2) 陽極においては (NHPO+1/2H → (NHHPO+NH4 ++e (3) (NHPOが完全に反応すればいくらか の二塩基塩もまた発生する。陽イオン交換膜が使 われ陽極から陰極へのNH の移送が行われる と仮定すれば、上記の2つの反応によって次の (4)式で示される代表的な正味の電池反応が生 まれる。In the cathode, H 3 PO 4 + e → 1 / 2H 2 + H 2 PO 4 (2) In the anode, (NH 4 ) 3 PO 4 + 1 / 2H 2 → (NH 4 ) 2 HPO 4 + NH 4 + + e ( 3) Some dibasic salts are also generated when the (NH 4 ) 3 PO 4 is completely reacted. Assuming that a cation-exchange membrane is used to transfer NH 4 + from the anode to the cathode, the above two reactions produce a typical net cell reaction shown by the following equation (4). Be done.

(NHPO+HPO → (NHPO+(NHHPO (4) ピロ燐酸塩類についても同様な反応が起こりその 正味の反応は(5)式で示される。(NH 4 ) 3 PO 4 + H 3 PO 4 → (NH 4 ) 2 H 2 PO 4 + (NH 4 ) 2 HPO 4 (4) Similar reactions occur with pyrophosphates, and the net reaction is (5) It is shown by the formula.

+(NH → NH+(NHHP (5) 第1図に示されている電気化学的電池10は基 本的には、その中で電池の稀薄側(即ち陽極区画) が緩衝されて質量移送分極化を最小限にとどめ、 これにより高い出力密度で運転することのできる 酸濃縮電池である。上記の(2)式の陰極側での 反応から分かるように、陰極電解液内の燐酸は連 続的に消費され水素ガスと燐酸二水素アンモニウ ムが絶えず発生している。陰極電解液内の所望の 燐酸濃度を維持するには、絶えず陰極溶液や電解 質を陰極区画から除去し燐酸を再生することが必 要である。 H 4 P 2 O 7 + ( NH 4) 4 P 2 O 7 → NH 4 H 3 P 2 O 7 + (NH 4) 3 HP 2 O 7 (5) electrochemical cell shown in Figure 1 10 is basically an acid-enriched battery in which the lean side of the battery (ie, the anode compartment) is buffered to minimize mass transfer polarization, which allows it to operate at high power densities. . As can be seen from the reaction on the cathode side in the above formula (2), phosphoric acid in the cathode electrolyte is continuously consumed, and hydrogen gas and ammonium dihydrogen phosphate are constantly generated. In order to maintain the desired phosphoric acid concentration in the catholyte, it is necessary to continually remove the catholyte solution and electrolyte from the cathodic compartment and regenerate the phosphoric acid.

陽極では、上記の(3)式の反応にに示される ように、燐酸アンモニウムと水素ガスが絶えず消 費され、燐酸一水素アンモニウムが絶えず発生し ている。燐酸アンモニウムと燐酸一水素アンモニ ウムの所望の濃度を維持するには、絶えず陽極溶 液や電解質を陽極区画から除去して溶液内の燐酸 一水素アンモニウムの量を減らし燐酸アンモニウ ムの濃度を増やすように処理しなければならない。 At the anode, ammonium phosphate and hydrogen gas are constantly consumed, and ammonium monohydrogen phosphate is constantly generated, as shown in the reaction of the above formula (3). To maintain the desired concentrations of ammonium phosphate and ammonium monohydrogen phosphate, constantly remove the anolyte solution and electrolyte from the anodic compartment to reduce the amount of ammonium monohydrogen phosphate in the solution and increase the concentration of ammonium phosphate. Must be processed.

また、絶えず水素ガスを陽極区画18内に導入し 陽極24と接触させなければならない。陰極22で 発生した水素ガスは陰極区画16から除去し、陽 極の半電池反応に必要な水素ガスを供給するため 第1図の線26で示すように陽極区画18へ導入 することがのぞましい。Also, hydrogen gas must be constantly introduced into the anode compartment 18 and in contact with the anode 24. The hydrogen gas generated at the cathode 22 is preferably removed from the cathode compartment 16 and introduced to the anode compartment 18 as indicated by line 26 in FIG. 1 to supply the hydrogen gas required for the cathode half-cell reaction.

上述のセルを数個直列に接続して所望の電圧を 発生させることができる。アンモニアの逆方向拡 散を防ぐことができれば、1つのセルからの水素 ガスを直接次のセルに供給することができる。こ れは、ポンプ及びマニホールド系又はアンモニア を透過しないが水素を透過する銀−パラジウム合 金電極の如くの電極を使用することとにより、達 成することができる。例えば、双極性直列積重ね を使った実用的な高出力密度設計を構成すること ができる。パラジウム合金電極の片側は陰極区画 に面し、電極を通して陽極区画に面している反対 側に水素ガスを通過させる。パラジウム電極は陽 極区画から陰極区画へアンモニアを通過させ続け る。 Several of the above cells can be connected in series to generate the desired voltage. If the reverse diffusion of ammonia can be prevented, hydrogen gas from one cell can be directly supplied to the next cell. This can be accomplished by using a pump and manifold system or electrodes that are impermeable to ammonia but permeable to hydrogen, such as silver-palladium alloy electrodes. For example, a practical high power density design using bipolar series stacks can be constructed. One side of the palladium alloy electrode faces the cathode compartment and hydrogen gas is passed through the electrode to the other side facing the anode compartment. The palladium electrode continues to pass ammonia from the cathode compartment to the cathode compartment.

背中合わせで電気的に短絡された2つの燃料電 池電極も同様に、双極性積重ねで水素ガスを運ぶ。 Two fuel cell electrodes, back-to-back and electrically shorted, likewise carry hydrogen gas in a bipolar stack.

いくらかのアンモニアは流れと反対の方向へ通過 するだろう。直列積重ねの電池を使う場合は、溶 液のマニホールドを通して電解質の流れが漏れる のを防止するよう注意しなければならない。この ためには、長くて、断面積のできるだけ小さい、 非導電性の電解質溶液マニホールドを使うか、あ るいは電解質滴下供給方式により漏洩経路を遮断 すればよい。電解質の漏洩を防ぐもう1つの方法 として、それぞれのセルが順番に充填されるよう にバッチ処理でそれぞれの電池を運転するやり方 がある。充填時以外は常時非導電性の弁でセルを マニホールドから隔離する。Some ammonia will pass in the opposite direction of the flow. When using cells in a series stack, care must be taken to prevent leakage of electrolyte flow through the solution manifold. For this purpose, a non-conductive electrolyte solution manifold that is long and has the smallest cross-sectional area can be used, or the leakage route can be blocked by an electrolyte dropping supply method. Another way to prevent electrolyte leakage is to run each battery in a batch process so that each cell is filled in sequence. Isolate the cell from the manifold with a non-conductive valve at all times except when filling.

陰極溶液に含まれる燐酸の再生には、陰極や陽 極の溶液を絶えず陰極区画16や陽極区画18か ら除去し、燐酸塩のアンモニウム陽イオンを熱的 に分解して液状燐酸とガス状アンモニアを形成す る熱処理を行なう。アンモニア・ガスは液から分 離される。この分離を行う方法はいくつかあり、 感便さ、効率及び電力出力を勘案して決める。こ こでは3つの方法を述べる。第1図に示されてい る第1の方法では、陰極溶液はなるべくライン28 を通して熱交換器30のようなヒーターに送り、 ここで溶液はライン38を通って熱交換器に導入 された燐酸と熱を交換して約495℃の温度に加熱 することが望ましい。次に加熱された溶液は弁34 によって加減されてフラッシュ・ストリッパー12 へ送られる。フラッシュ・ストリッパーは通常の 設計のもので、フラッシュ・ストリッパーの温度 を300℃から650℃の範囲に維持するための熱入 力手段を備えており、これくらいの温度であれば 大部分の燐酸二水素アンモニウムを下記の(6) 式により燐酸とアンモニアに転換するのに十分で ある。 To regenerate the phosphoric acid contained in the cathode solution, the cathode and cathode solutions are constantly removed from the cathode compartment 16 and anode compartment 18 and the ammonium cations of the phosphate are thermally decomposed to produce liquid phosphoric acid and gaseous ammonia. Heat treatment to form Ammonia gas is separated from the liquid. There are several ways to do this separation, and it is decided taking into consideration the convenience, efficiency and power output. Here are three methods. In the first method shown in FIG. 1, the catholyte solution is preferably sent through line 28 to a heater such as heat exchanger 30, where the solution is mixed with phosphoric acid introduced into the heat exchanger through line 38. It is desirable to exchange heat and heat to a temperature of about 495 ° C. The heated solution is then conditioned by valve 34 and sent to flash stripper 12. The flash stripper is of conventional design and is equipped with heat input means to maintain the flash stripper temperature in the range of 300 ° C to 650 ° C, at which temperature most of the phosphate Sufficient to convert ammonium hydrogen to phosphoric acid and ammonia according to formula (6) below.

NHPO → HPO+NH (6) いくらかの水蒸気もまたアンモニア・ガスととも に蒸発しなければならず、同様に下記の(7)式 の反応の間にアンモニアとともに凝固しなければ ならない。次にアンモニアと水は密度の差のため 重力的に分離される。宇宙のような無重力状態で は遠心力や毛細管ベッドを使って分離する。NH 4 H 2 PO 4 → H 3 PO 4 + NH 3 (6) Some water vapor must also evaporate with the ammonia gas, and likewise coagulates with ammonia during the reaction of equation (7) below. Must. Ammonia and water are then gravity separated due to the difference in density. In the weightless state like space, centrifugal force and capillary beds are used for separation.

熱入力36は、直接太陽エネルギを集めたり化 石燃料バーナーを使うとか、あるいは液体ナトリ ウムや高圧水蒸気などの液体による2次伝熱によ って行われる。2次伝熱法はすべて固有な損失を 伴うので直接熱源を使う方が有利である。 The heat input 36 is performed by directly collecting solar energy, using a fossil fuel burner, or by secondary heat transfer by a liquid such as liquid sodium or high-pressure steam. It is advantageous to use a direct heat source because all secondary heat transfer methods have inherent losses.

フラッシュ・ストリッパー12内で形成された 燐酸はフラッシュ・ストリッパーから除去し、ラ イン38を経て熱交換器30に至り、ここで200 ℃以下で約100℃より高い温度まで冷却される。 The phosphoric acid formed in the flash stripper 12 is removed from the flash stripper and reaches the heat exchanger 30 via line 38 where it is cooled below 200 ° C to above about 100 ° C.

燐酸から取り去られた熱は、ライン28経由で導 入された熱交換器30内の陰極溶液内に、そして ライン42経由で導入された熱交換器30内の陽 極溶液の一部に伝えられる。再生された燐酸を含 む電解質は熱交換器30からライン40経由で陰 極区画16へ戻される。溶液の粘性を陰極と陽極 で所望の電気化学反応を十分な速さで起こすこと のできる程度に維持できるように、陰極溶液及び 陽極溶液はともに約100℃以上に維持することが 望ましい。陰極区画内の溶液の温度は約105℃と 160℃の間であることが望ましいが200℃近くま で上がってもよい。電解溶液の規定温度は、装置 内で満足な液の特性さえ維持できればどんな値と してもよい。The heat removed from the phosphoric acid is transferred into the catholyte solution in the heat exchanger 30 introduced via the line 28 and to a part of the cathode solution in the heat exchanger 30 introduced via the line 42. To be The electrolyte containing the regenerated phosphoric acid is returned from the heat exchanger 30 via line 40 to the cathode compartment 16. Both the catholyte and anolyte solutions should be kept above about 100 ° C so that the viscosity of the solution can be maintained at a sufficient rate to cause the desired electrochemical reaction at the cathode and anode. The temperature of the solution in the cathode compartment is preferably between about 105 ° C and 160 ° C, but may rise to near 200 ° C. The specified temperature of the electrolytic solution may be any value as long as it can maintain satisfactory liquid characteristics in the device.

セルにおける移動はすべて、アンモニウム陽イ オンと水の半透膜20を通しての移動であること が望ましい。しかし、セルにおける移動のすべて がアンモニウム陽イオンの移動でまかなえない場 合は、陽極溶液の流れの一部をライン42及び44 を経てフラッシュ・ストリッパー12に送る必要 の起こることもある。この部分流からライン42 及び44を経てフラッシュ・ストリッパーに導かれ る追加の燐酸は、ライン38及び40を経て陽極 区画16に移送される燐酸を補充するのに使われ る。セルにおけるすべての移動がアンモジウム陽 イオンのセパレータ壁20を通しての移動のみに よる場合は、弁46を閉鎖する。 Desirably, all migration in the cell is through the ammonium cation and water semipermeable membrane 20. However, if not all of the migration in the cell can be accommodated by the ammonium cations, then it may be necessary to send some of the anolyte solution flow to the flash stripper 12 via lines 42 and 44. Additional phosphoric acid from this substream, which is directed to the flash stripper via lines 42 and 44, is used to replenish the phosphoric acid transferred to anode compartment 16 via lines 38 and 40. If all migration in the cell is solely due to migration of the ammodium cations through the separator wall 20, then valve 46 is closed.

フラッシュ・ストリッパー12内で形成される アンモニアと水はライン48を経てコンデンサ14 に導かれる。コンデンサ14では、アンモニアと 水は陽極溶液と反応し陽極区画からライン50を 経て排出される。コンデンサ14内への反応流の 流れを加減するため弁52及び54が設けられる。 Ammonia and water formed in flash stripper 12 are directed to condenser 14 via line 48. In the condenser 14, ammonia and water react with the anolyte solution and are discharged from the anodic compartment via line 50. Valves 52 and 54 are provided to moderate the flow of the reaction stream into the condenser 14.

コンデンサ14は結合手段として作用し、ここで アンモニアと燐酸二水素アンモニウムが反応して (7)式で示される反応により燐酸アンモニウム を形成する。The capacitor 14 acts as a coupling means, in which ammonia reacts with ammonium dihydrogen phosphate to form ammonium phosphate by the reaction represented by the formula (7).

NH+(NHHPO → (NHPO (7) コンデンサ14で形成された燐酸アンモニウムは、 ラジエータや第1図に矢印56で示される熱交換 器のような適切な方法で約100〜130℃まで冷却 される。今説明した反応物と熱交換器との組合わ せはコンデンサ14などの簡単な方法で実現する ことができ、あるいは結合手段と熱交換手段を別 個に設けることもできる。後者の場合は、冷却さ れた溶液の一部は内部の異常な温度上昇防ぐため に結合手段に戻さなければならない。再生された 燐酸アンモニウムを含む陽極溶液はコンデンサ14 を通ってライン58を経て陽極区画18に導かれ 装置の運転中に消費される燐酸アンモニウムを補 給する。NH 3 + (NH 4 ) 2 HPO 4 → (NH 4 ) 3 PO 4 (7) Ammonium phosphate formed in the condenser 14 is suitable for the radiator and the heat exchanger indicated by the arrow 56 in FIG. It is cooled to about 100-130 ℃ by the method. The combination of reactants and heat exchangers just described can be realized in a simple way, such as by condenser 14, or the coupling means and heat exchange means can be provided separately. In the latter case, some of the cooled solution must be returned to the coupling means to prevent an abnormal temperature rise inside. The anolyte solution containing the regenerated ammonium phosphate is led through the condenser 14 via line 58 to the anode compartment 18 to supplement the ammonium phosphate consumed during the operation of the system.

装置の加圧及び各種溶液の循環を行うため装置 にはポンプ55及び57が備えられる。5〜400 psia(34-2760 kPa)の圧力を使うことができる。 The apparatus is provided with pumps 55 and 57 for pressurizing the apparatus and circulating various solutions. Pressures of 5-400 psia (34-2760 kPa) can be used.

ここに述べる装置では、蒸気圧はセルの陽極側の 方が陰極側よりも高くなっている。アンモニアの 陽極から陰極側への通過は、アンモニウム・イオ ンの電気化学的移動以外は避けなければならない。In the device described here, the vapor pressure is higher on the anode side of the cell than on the cathode side. Passage of ammonia from the anode to the cathode side should be avoided except for the electrochemical transfer of ammonium ions.

したがっって、第1図の26及び20で示されて いる2つのアンモニアの接続通路は塞がなければ ならない。水素ガスの接続路であるライン26で は、水素はアンモニアと反対方向に流れるので、 アンモニアの流れをすべて阻止するためライン26 にはポンプやタービンを設けることがある。2次 接続路である分離膜20の閉塞に関しては、この 分離板はガスを極めて通しにくい過弗素化された (perfluorinated)スルホン酸膜とすることができ る。一方ポンプ55及び57で作られる圧力は、 ストリッパーの温度よりもほんのわずか低い熱交 換器30内でのアンモニアの沸騰を抑えうるだけ の十分高い値に保たなければならない。100-200 ℃では、圧力はアンモニアが電解質内にNH4 + イオンとして溶解するに十分なだけ高いので、湿 潤性多孔質テフロンなどの簡単な微小空洞膜を使 うことができない。多孔質燃料電池電極を使用す る場合は、ライン26内の水素ガスの圧力は、電 解質の液境界が多孔質燃料電池電極の接液側内に なるようにライン38、42、及び50内の圧力と 同じに維持しなければならない。この理由で、前 述の多孔質テフロンで裏打ちした燃料電池電極を 使う方が好ましい。Therefore, the two ammonia connections shown at 26 and 20 in Figure 1 must be blocked. Since hydrogen flows in the direction opposite to that of ammonia in the line 26 which is a connection path for hydrogen gas, a pump or turbine may be provided in the line 26 to block all the flow of ammonia. Regarding the blockage of the separation membrane 20 which is the secondary connection, this separation plate can be a perfluorinated sulfonic acid membrane which is extremely impermeable to gas. On the other hand, the pressure created by pumps 55 and 57 must be kept just below the temperature of the stripper and high enough to suppress boiling of ammonia in heat exchanger 30. At 100-200 ° C, the pressure is high enough to dissolve ammonia as NH 4 + ions in the electrolyte, so simple microcavity membranes such as wettable porous Teflon cannot be used. If a porous fuel cell electrode is used, the pressure of hydrogen gas in line 26 should be such that lines 38, 42, and 50 of the hydrogen gas line should be such that the electrolyte boundary is within the wetted side of the porous fuel cell electrode. It must be maintained at the same pressure as in. For this reason, it is preferred to use the previously mentioned porous Teflon-lined fuel cell electrodes.

セル内のライン50、28、32、42、26及び44、 そして熱交換器30内では、沸騰することが好ま しくない装置内での沸騰の起こることを防止する ため、400 psia(2760 kPa)までもの高圧が維持さ れる。装置の効率もまた、上限温度ですべての熱 が吸収されるおかげで最高とすることができる。 400 psia (2760 kPa) in lines 50, 28, 32, 42, 26 and 44 in the cell and in heat exchanger 30 to prevent boiling in equipment where boiling is not preferred. High pressure is maintained. The efficiency of the device can also be maximized thanks to the absorption of all heat at the upper temperature limit.

使用される指定圧力は、装置に最初に充填する作 動流体の組成によって決まるアンモニア及び水蒸 気の圧力、及び装置の上限及び下限温度によって 決まる。本発明の装置の蒸気相は、アンモニア、 水蒸気、少量の燐酸酸化物(phosphoric oxide)を 含み、場合によっては窒素が随時添加される。低 圧の水素はライン48及びストリッパー12とコン デンサ14内に存在する。アンモニア及び水蒸気 の分圧はそれぞれ約1〜300 psia(7-2068 kPa) の範囲で変えることができるが、窒素の分圧は、 約0から150 psia(1034 kPa)の範囲しか変え られない。通常型のコントローラを設けてポンプ や弁を制御し、膜20の両面で所望の差圧をえるこ とができる。この差圧は所望の限度内で膜20を 通して強制伝熱を維持するため0に近くしなけれ ばならない。The specified pressure used depends on the pressure of the ammonia and water vapor, which depends on the composition of the working fluid initially charged to the equipment, and the upper and lower temperature limits of the equipment. The vapor phase of the device according to the invention comprises ammonia, water vapor, a small amount of phosphoric oxide, optionally with nitrogen optionally added. Low pressure hydrogen is present in line 48 and stripper 12 and capacitor 14. The partial pressures of ammonia and water vapor can each be varied in the range of about 1 to 300 psia (7-2068 kPa), while the partial pressure of nitrogen can only be varied in the range of about 0 to 150 psia (1034 kPa). A conventional controller can be provided to control the pumps and valves to obtain the desired differential pressure across the membrane 20. This differential pressure must be close to zero to maintain forced heat transfer through the membrane 20 within desired limits.

第2図には反対方向の流れを使った多段アンモ ニア分離によるセル反応物の熱的再生を行う第2 の方法を示す。この方法はより複雑ではあるが、 燐酸からより多くのアンモニアを分離することが でき、このためより高い電圧を発生し効率を上げ ることができる。便宜上、第1図と同じ要素が第 2図でも示されているときは、これらには第1図 と同じ番号を指定している。 FIG. 2 shows a second method for thermal regeneration of cell reactants by multistage ammonia separation using flow in opposite directions. Although more complicated, this method can separate more of the ammonia from phosphoric acid, which can generate higher voltage and increase efficiency. For convenience, when the same elements as in FIG. 1 are also shown in FIG. 2, they are designated by the same numbers as in FIG.

第2図に示されているこの多段方式では、陽極 区画からの流体は約500℃に加熱された後フラッ シュ・ストリッパー60へ送られる。この高圧ス トリッパーで作られたこの高圧アンモニアはライ ン62を経てコンデンサ64へ導かれ、ここで最 大量の燐酸一水素アンモニウムが燐酸アンモニウ ムに転換される。ストリッッパー60内の部分的 に転換された燐酸と燐酸二水素アンモニウムの混 合物は、ライン66を通り弁68を経てストリッ パー70に入り、ここでライン32及び弁72を経 て陰極区画から導かれた予熱された流れと合流す る。ストリッパー60より低圧ではあるがここで さらにアンモニアが追い出される。このアンモニ アはライン74を経てコンデンサ76は導かれ、 ここで中間的な量の燐酸一水素アンモニウムが燐 酸アンモニウムに転換される。次にストリッパー 70からの液はライン78と弁52を経てコンデ ンサ84へ導かれる。コンデンサ84内のアンモニ アの圧力は比較的低いのでライン86を経てスト リッパー82内の液からのアンモニアを更に引き 抜く。その結果、ライン38を通ってストリッパ ー82から出て行く液は実質的に全くアンモニア を含んでいない。 In this multi-stage system, shown in FIG. 2, the fluid from the anode compartment is heated to about 500 ° C. before being sent to the flash stripper 60. The high-pressure ammonia produced by the high-pressure stripper is led via line 62 to a condenser 64, where the largest amount of ammonium monohydrogen phosphate is converted to ammonium phosphate. A mixture of partially converted phosphoric acid and ammonium dihydrogen phosphate in stripper 60 enters stripper 70 via line 66 via valve 68 where it is conducted from the cathode compartment via line 32 and valve 72. Combines with the preheated stream that has been burned. At a lower pressure than stripper 60, further ammonia is expelled here. This ammonia is led via line 74 to capacitor 76, where an intermediate amount of ammonium monohydrogen phosphate is converted to ammonium phosphate. The liquid from stripper 70 is then directed to capacitor 84 via line 78 and valve 52. Since the pressure of the ammonia in the condenser 84 is relatively low, ammonia is further extracted from the liquid in the stripper 82 via the line 86. As a result, the liquid exiting stripper 82 through line 38 is substantially free of ammonia.

高温を維持するため、コイル88,90及び92 を通じて3つのストリッパー60,70及び82に 熱か供給される。圧力は弁46,68,72,80及び52 の設定によって制御される。ポンプ94及び96 を使って圧力を上昇させコンデンサ76及び64 を通して流体を循環させる。水その他の流体はコ ンデンサ84,76,及び64を通じて循環され、熱 が奪われてその温度は約130℃に維持される。熱 の除去にはその他の方法を使うこともできる。 Heat is supplied to the three strippers 60, 70 and 82 through coils 88, 90 and 92 to maintain high temperatures. The pressure is controlled by the setting of valves 46, 68, 72, 80 and 52. Pumps 94 and 96 are used to increase the pressure and circulate fluid through capacitors 76 and 64. Water and other fluids are circulated through the capacitors 84, 76 and 64 to remove heat and maintain their temperature at about 130 ° C. Other methods can be used to remove heat.

所望の分離の程度及び複雑さの制限に応じて、 使用ストリッパー数は3つよりも多くあるいは少 なくすることができることを記しておく。また、 すべての移送がアンモニウムイオン(NH4 +)に よって行われるなら、ストリッパー60及びコン デンサ64は不要であり、弁46は閉鎖される。It is noted that the number of strippers used can be more or less than three depending on the degree of separation desired and the limitations of complexity. Also, if all transfer is by ammonium ions (NH 4 + ), stripper 60 and capacitor 64 are not needed and valve 46 is closed.

第3図には交差流を使ってアンモニアを多段除 去することにより熱的に再生を行う第3の方法が 示されている。この装置では2つの濃度の燐酸ア ンモニウムが形成されそれには多段電池に入るマ ニホールドを別々に設ける必要があろう。この2 つの流れでは電圧はわずかに異なるだろうが、そ れぞれの流れを使うセルの数を変えることによっ て出力電圧を変えるという通常の手段が取られる。 Figure 3 shows a third method of thermal regeneration by removing ammonia in multiple stages using a cross flow. In this device, two concentrations of ammonium phosphate are formed, which would require separate manifolds to enter the multi-stage battery. The voltage will be slightly different for the two streams, but the usual way is to change the output voltage by varying the number of cells using each stream.

第3図の記述では、第2図と同じ構成部には第 2図と同じ番号が指定されている。第3図では、 陽極区画からの流体は熱交換器30によって高温 に加熱され、弁46を経てフラッシュ・ストリッ パー60に供給される。このストリッパーで造 られた高圧アンモニアはライン62を経てコンデ ンサ64へ送られ、ここでできるだけ多量の燐酸 一水素アンモニウムと燐酸アンモニウムとに変換 される。一部変換されたストリッパー60内の燐 酸及び燐酸二水素アンモニウムは次にライン66 を通り弁68を経てストリッパー70に送られ、 ここでライン32と弁72を経て陰極区画からの予 熱された流れと結合する。ストリッパー60中よ り低圧であるので、更にアンモニアが排出される。 In the description of FIG. 3, the same components as in FIG. 2 are designated by the same numbers as in FIG. In FIG. 3, the fluid from the anode compartment is heated to high temperature by the heat exchanger 30 and fed to the flash stripper 60 via valve 46. The high-pressure ammonia produced by this stripper is sent via line 62 to a condenser 64 where it is converted into as much ammonium monohydrogen phosphate and ammonium phosphate as possible. The partially converted phosphoric acid and ammonium dihydrogen phosphate in stripper 60 are then sent via line 66 to stripper 70 via valve 68 where they are preheated from the cathode compartment via line 32 and valve 72. Combine with the flow. Since the pressure is lower than that in the stripper 60, further ammonia is discharged.

アンモニアはライン74を経てコンデンサ76に 至り、ここでより少量の燐酸一水素アンモニウム が燐酸アンモニウムに変換される。それからスト リッパー70からの流体はライン38を通って排 出されこれは実質的にアンモニアを全く含んでい ない。一方、陽極からの使用済みの流体はライン 31を通って導かれ、流れ1と2に分けられる。Ammonia passes via line 74 to capacitor 76 where a smaller amount of ammonium monohydrogen phosphate is converted to ammonium phosphate. The fluid from stripper 70 is then discharged through line 38, which is substantially free of ammonia. On the other hand, spent fluid from the anode is directed through line 31 and split into streams 1 and 2.

流れ1は弁52を経てコンデンサ64に導かれ、 ここでできるだけ多量の燐酸一水素アンモニウム が燐酸アンモニウムに変換される。流体はコンデ ンサ64からポンプ94によりライン95を経て セルの陽極区画へ向かって送られる。このコンデ ンサ64からの再生された流体は、それが使われ るセル内で比較的高い電圧を発生する。ライン3 1からの陽極区画内の使用済み流体は弁53を経 てコンデンサ64よりも低圧のコンデンサ76に 移される。コンデンサ76では、燐酸一水素アン モニウムは前のコンデンサ64で形成されたより も少量の燐酸アンモニウムが形成され、転換生成 物は次にポンプ96によりセルの陽極区画の方へ と圧送される。このコンデンサ76からの再生流 体はそれが使われるそれぞれのセル内でコンデ ンサ64からのものより低い電圧を発生する。Stream 1 is led via valve 52 to condenser 64 where as much ammonium monohydrogen phosphate as possible is converted to ammonium phosphate. Fluid is pumped from capacitor 64 by pump 94 via line 95 toward the anode compartment of the cell. The regenerated fluid from this capacitor 64 produces a relatively high voltage in the cell in which it is used. The spent fluid in the anode compartment from line 31 is transferred via valve 53 to condenser 76 at a lower pressure than condenser 64. In the capacitor 76, ammonium monohydrogen phosphate forms less ammonium phosphate than was formed in the previous capacitor 64, and the conversion product is then pumped by the pump 96 toward the anode compartment of the cell. The regenerative fluid from this capacitor 76 produces a lower voltage than that from the capacitor 64 in each cell in which it is used.

ストリッパー60及び70にはコイル88及び 90から熱が供給され、約300〜650℃の範囲の温 度を維持する。圧力は弁46,68,72,52,及び53 の設定により加減される。ポンプ94及び96 はコンデンサ64及び76を通る流体を昇圧し、 循環させるために使用される。水その他の流体は 熱を除去して温度を約130℃に維持するためコン デンサ64を通して循環される。熱の除去には他 の方法また使うことができる。 Heat is supplied to strippers 60 and 70 from coils 88 and 90 to maintain temperatures in the range of about 300-650 ° C. The pressure is adjusted by setting valves 46, 68, 72, 52 and 53. Pumps 94 and 96 are used to boost and circulate fluid through capacitors 64 and 76. Water or other fluid is circulated through capacitor 64 to remove heat and maintain the temperature at about 130 ° C. Other methods of heat removal can also be used.

セル内のすべての移送がアンモニウムイオン (NH4 +)によって行われるなら、弁46は閉鎖 することができることを記しておかねばならない。It should be noted that the valve 46 can be closed if all transfer in the cell is done by ammonium ions (NH 4 + ).

この場合、ライン32からの流体のいくらかは弁 43を経てストリッパー60に送られる。In this case, some of the fluid from line 32 is sent to stripper 60 via valve 43.

アンモニアについては、陽極においてアンモニ アがいくらか失われることがあるということにも 留意しなければならない。水素は選択的にアンモ ニアに酸化されるが、アンモニアの窒素への緩慢 な酸化を示す非常に小さな流れも起こることがあ る。極端に緩慢なアンモニアの酸化が予想される 装置の使用期間の終末期の前に有害な作用を及ぼ す場合は、小型液体アンモニア貯蔵タンクからの 少量の交換用アンモニアを自動的に注入するのは 簡単なことである。アンモニアの酸化により発生 して集まった窒素はそのままにしておいたり排出 されることもあろう。銀−パラジウム合金電極を 使用する場合、窒素は装置のコンデンサ部に集ま り、自動的に排出されることもあろう。燃料電池 電極を使用した場合は、窒素は陽極への水素供給 ラインに集まり、これを排出するのはより困難と なろう。 It should also be noted that for ammonia some ammonia can be lost at the anode. Hydrogen is selectively oxidized to ammonia, but very small streams can also occur, indicating a slow oxidation of ammonia to nitrogen. Extremely slow ammonia oxidization is expected.It is not possible to automatically inject a small amount of replacement ammonia from a small liquid ammonia storage tank if it is harmful before the end of the device's life. It's easy. Nitrogen generated by the oxidation of ammonia may be left as it is or discharged. When using a silver-palladium alloy electrode, nitrogen may collect in the condenser part of the device and be automatically discharged. If fuel cell electrodes were used, nitrogen would collect in the hydrogen supply line to the anode, which would be more difficult to vent.

電気化学的電池が熱的再生器への熱入力がない 期間に運転できるために、上述の装置のエネルギ 貯蔵を考えることができる。これをやるには、第 1図に示す装置の一部の系統図である第4図に示 すように、装置のライン58及び40に再生され た電解質の貯蔵タンク100及び102を挿入すれば よい。これらのタンクに貯えられている電解質は 次に、熱的再生装置がはたらいていない間セル内 に供給することができる。更に、熱的再生装置が 作動していないときに、セルからの使用済み電解 質は、第4図に示すように50,42,及び28に通 じるライン内に置かれたタンク104及び106に貯 えることができる。熱的再生器が再び作動し始め たら、使用済みの電解質は再生されて再び本来の 再生電解質用タンクに貯蔵される。タンク、セル 及び熱的再生器の大きさを適切に選べば、再生器 が間欠的に作動してもセルは連続作動を維持する ことができる。この種の装置は、夜間条件での太 陽光線の変化とか、雲に遮られる程度の変り方と か、負荷条件に変化のある場合の使用に適してい る。 Energy storage of the above-mentioned device can be considered because the electrochemical cell can be operated during periods when there is no heat input to the thermal regenerator. To do this, insert regenerated electrolyte storage tanks 100 and 102 into lines 58 and 40 of the device, as shown in FIG. 4, which is a systematic diagram of a portion of the device shown in FIG. Good. The electrolyte stored in these tanks can then be fed into the cell while the thermal regenerator is not working. Furthermore, when the thermal regenerator is not operating, spent electrolyte from the cell is placed in tanks 104 and 106, which are located in lines leading to 50, 42, and 28 as shown in FIG. Can be stored in When the thermal regenerator starts operating again, the spent electrolyte is regenerated and stored again in the original regenerated electrolyte tank. With proper selection of tank, cell and thermal regenerator sizes, the cell can maintain continuous operation even if the regenerator operates intermittently. This type of device is suitable for use when there are changes in the load of light, such as changes in sunlight at night, changes in the degree of being blocked by clouds, and so on.

第1〜3図に示されている弁34,46及び52 は、これらの点で流体がかなりの圧力降下をうけ ることによるエネルギを抽出するようにタービン に置換えることができる。装置のエネルギに比べ ればこのエネルギ量は極めて小さく、2台のポン プ55及び57に使われるエネルギにほぼ等しい。 The valves 34, 46 and 52 shown in Figures 1-3 can be replaced by turbines to extract energy at these points where the fluid experiences a significant pressure drop. This amount of energy is very small compared to the energy of the device and is approximately equal to the energy used for the two pumps 55 and 57.

第1図に示されている構造部の材料については、 燐酸が350℃以上では極めて腐食性が強く、セラ ミックス、グラファイトを初め多くの材料が350 ℃以上では燐酸に侵されることに留意しなければ ならない。我々の腐食試験では、グラファイトと 金は500℃でもアンモニア化された100%燐酸に 侵されないが、耐燐酸超合金(即ち高ニッケル成 分の合金)はある程度侵される。銅又は銀、銅又 は銀の合金、及びいくつかの他の合金などの他の 金属もまた燐酸には極めて抵抗力の大きいことが 知られている。したがって、この種の耐蝕金属を 使用して効率のよい熱交換器を造ることができる。 Regarding the material of the structure shown in Fig. 1, it should be noted that phosphoric acid is extremely corrosive above 350 ° C, and many materials such as ceramics and graphite are attacked by phosphoric acid above 350 ° C. I have to. In our corrosion test, graphite and gold are not attacked by ammonified 100% phosphoric acid at 500 ° C, but phosphoric acid resistant superalloys (ie alloys with high nickel content) are attacked to some extent. Other metals such as copper or silver, alloys of copper or silver, and some other alloys are also known to be extremely resistant to phosphoric acid. Therefore, an efficient heat exchanger can be constructed using this type of corrosion resistant metal.

しかし、金属によってはアンモニアを水と水素に 分解する触媒となるので注意を払う必要がある。However, some metals are catalysts that decompose ammonia into water and hydrogen, so care must be taken.

しかしモリブデンの場合は、この分解は極めて緩 慢であるから、公表された多くのデータに基づけ ば、装置内のアンモニアの10%を分解するまで には5-10年はかかるだろう。したがって、モリ ブテンや少量のジルコニウムとチタンを含有する モリブデン(TZM)は、第1図に示すような熱 交換器及びストリッパーの構造材としては良好な 金属である。各種金属、グラファイト、セラミッ クス、及び各種ポリマーを含むたすうの材料は第 1図に示されている200℃以下で使われる装置の 部品の構成に適している。However, in the case of molybdenum, this decomposition is extremely slow, and it may take 5-10 years to decompose 10% of the ammonia in the equipment, based on many published data. Therefore, molybdenum and molybdenum (TZM) containing a small amount of zirconium and titanium are good metals as structural materials for heat exchangers and strippers as shown in FIG. Various materials, including various metals, graphite, ceramics, and various polymers, are suitable for constructing the parts of the equipment used below 200 ° C shown in Fig. 1.

本発明の閉じられた全系統の定常状態の運転に おいて散逸的な副次的反応を起こさないことを保 証するため、極めて単純な閉サイクルが構成され た。装置は効率を測定したり高い電流密度で運転 するように設計されているのではなく、電気化学 的電池の運転に必要な反応物が熱的に確実に再生 されるために単純に定常状態で運転されさえすれ ばよいのである。使用された装置は第5図に示さ れている。アンモニアを吸収するため液面境界面 積を小さくしたこと以外は陰極側からのアンモニ アを保持する試みは何も行われなかった。これを 行うにはフリット・ガラス(fritted glass)・セ パレータの両側での差圧を0にするという簡単な 方法によった。陰極からのアンモニアを閉塞でき なかったため発生電圧は低下した。 An extremely simple closed cycle was constructed to ensure that there are no dissipative side reactions in the steady state operation of the entire closed system of the present invention. The device is not designed to measure efficiency or operate at high current densities, but simply in steady state to ensure that the reactants needed to operate an electrochemical cell are thermally regenerated. All you have to do is drive. The equipment used is shown in FIG. No attempt was made to retain the ammonia from the cathode side, except that the liquid surface boundary area was reduced to absorb ammonia. To do this, a simple method was to make the differential pressure on both sides of the fritted glass separator zero. The generated voltage decreased because the ammonia from the cathode could not be blocked.

以下の第5図の説明では、第1図に示されてい るものに相当する構成品には第1図と同じ番号が 付けてある。第5図に示すように、セル10には 白金板陰極22及び白金線網陽極24が含まれて いる。電極22及び24は図示されていない外部 負荷に接続された。陰極区画16内の電解質は燐 酸二水素アンモニウムと燐酸アンモニウムとの混 合物であった。陽極区画18内の電解質混合物は 最初は陰極区画内のものと同じであった。装置が 運転されると、ストリッパーからのアンモニアと 水は、陽極混合物に(NHHPOを富化 しHPOを希釈した。フリット・ガラス円板 はセパレータ20の役をした。In the following description of FIG. 5, components corresponding to those shown in FIG. 1 are numbered the same as in FIG. As shown in FIG. 5, the cell 10 includes a platinum plate cathode 22 and a platinum wire mesh anode 24. Electrodes 22 and 24 were connected to an external load, not shown. The electrolyte in the cathode compartment 16 was a mixture of ammonium dihydrogen phosphate and ammonium phosphate. The electrolyte mixture in the anode compartment 18 was initially the same as in the cathode compartment. When the device is operated, ammonia and water from stripper anode mixture (NH 4) 2 HPO 4 were diluted enriched H 3 PO 4. The frit glass disk served as the separator 20.

セル10からの使用済み電解液はポンプ57に よりライン28を通ってストリッパー12へ送ら れた。ストリッパー12を囲んで、加熱マントル 36がストリッピング反応のための熱を供給した。 The spent electrolyte from cell 10 was sent by pump 57 through line 28 to stripper 12. Around the stripper 12, a heating mantle 36 provided heat for the stripping reaction.

使用済みの電解液がストリッパーの熱い壁に接触 するとアンモニアが形成された。ストリッピング 反応により発生したアンモニアは、ライン48を 経て直接陽極区画18に送られ、ここでアンモニ アは溶液に吸収された。これもまたストリッピン グ反応で発生した燐酸はポンプ57によりライン 40を通って陰極区画16へ戻された。陰極22 で発生した水素は泡となって昇り、ライン26を 経て陽極区画18に至り、ここで陽極において消 費された。弁34及び46の設定により陰極区画 16及び陽極区画18からの流量を定めた。装置 内の圧力を監視するため圧力計49を使った。弁 51を用いて装置に水素を充填してからこれを閉じ た。装置への水素の充填の前に、弁53を操作し て空気を追い出した。陽極24及び陰極22に付 いているリード線により負荷をかけて電圧及び電 流を測定した。Ammonia was formed when the spent electrolyte contacted the hot stripper wall. Ammonia generated by the stripping reaction was sent via line 48 directly to the anode compartment 18, where ammonia was absorbed in the solution. The phosphoric acid, which was also generated in the stripping reaction, was returned to the cathode compartment 16 via line 40 by pump 57. Hydrogen generated at the cathode 22 bubbled up and reached the anode compartment 18 via line 26 where it was consumed. The flow from the cathode compartment 16 and the anode compartment 18 was determined by setting valves 34 and 46. A pressure gauge 49 was used to monitor the pressure inside the device. The device was filled with hydrogen using valve 51 and then closed. Prior to filling the device with hydrogen, valve 53 was operated to expel air. The voltage and current were measured by applying a load with the lead wires attached to the anode 24 and the cathode 22.

第5図の装置を使った閉ループ方式の実証実験 を促進するため、以下のような単純化を行った。 The following simplifications were made in order to facilitate the closed loop system demonstration experiment using the device in Fig. 5.

a.熱交換器を省略した。 a. The heat exchanger was omitted.

b.装置が小型であるためアンモニアの凝縮 段階で熱を除去する必要がなかった。したがっ て、ストリッパー内で発生したガスは直接セル の陽極区画に導かれ別にコンデンサを設ける必 要がなくなった。事実、装置を使用温度に維持 するには外部から熱を加える必要があった。 b. Due to the small size of the device, it was not necessary to remove heat during the ammonia condensation stage. Therefore, the gas generated in the stripper was directly guided to the anode compartment of the cell, eliminating the need for a separate capacitor. In fact, external heat had to be applied to keep the device at working temperature.

c.モリブデン・ストリッパーには過熱保護 のためいずれかの端に冷却コイルを取付けた。 c. The molybdenum stripper was fitted with a cooling coil at either end for overheat protection.

d.陽極電極として使った白金線網は極度に 低電流密度電極であった。どんな副次反応も絶 対に起こさないために純白金が使われた。 d. The platinum wire network used as the anode electrode was an extremely low current density electrode. Pure platinum was used to ensure that no secondary reactions occur.

e.ポンプの流量は、定常状態になるまでの 時間をできるだけ少なくするため大きく保たれた。 e. The flow rate of the pump was kept large in order to minimize the time to reach steady state.

2.2ml/minの流量を約150mlの装置の容積と組 合わせた場合、滞留時間は約68分となった。When a 2.2 ml / min flow rate was combined with a device volume of about 150 ml, the residence time was about 68 minutes.

調査を行ったパラメータは、再生器上限温度、 装置全圧力、ガス相における水素とアンモニアの 比率であった。測定値としては、セルの温度、ス トリッパーの温度、出力電流及びIR(電流×抵 抗)修正電圧があった。IR修正を行うことによ り、電極の位置決め及び多孔質フリット・セパレ ータの抵抗の影響を免れることができた。代表的 な実験手順は次のように行われた。 The parameters investigated were the regenerator upper temperature limit, the total equipment pressure, and the hydrogen to ammonia ratio in the gas phase. The measured values were cell temperature, stripper temperature, output current and IR (current x resistance) correction voltage. By performing IR correction, it was possible to avoid the effects of the positioning of the electrodes and the resistance of the porous frit separator. A typical experimental procedure was performed as follows.

1.装置は約1mmHgまで真空に引いた。 1. The device was evacuated to about 1 mm Hg.

2.装置に例えば次のような作動流体混合物 を加えた。 2. The working fluid mixture, for example as follows, was added to the device:

100%のHPO−95モルパーセント (NH)HPO−5モルパーセント 3.ポンプを始動し、装置のあらゆる部分で 液位が安定するようにした。100% H 3 PO 4 -95 mol% (NH 4) H 2 PO 4 -5 mole percent 3. The pump was started to stabilize the liquid level in all parts of the device.

4.再生器を加熱し、補助加熱装置を始動し た。冷媒ポンプを始動した。 4. The regenerator was heated and the auxiliary heating device was started. The refrigerant pump was started.

5.所望の作動圧力までアンモニアや水を加 えた。 5. Ammonia and water were added to the desired working pressure.

6.所望の出力がえられるようにセルを調整 した。電圧を監視し安定させるようにした。 6. The cell was adjusted to obtain the desired output. The voltage was monitored and stabilized.

7.作動パラメータ(例えばストリッパー温 度、流量、圧力、電流など)を変え、装置を新 しい条件で安定させるようにした。 7. The operating parameters (eg stripper temperature, flow rate, pressure, current, etc.) were changed to stabilize the device under new conditions.

各種作動条件での実験的出力データを表Iに示 す。表Iにおいて、“OCV”は解放電圧を示し、 「電圧」は指定電流負荷でえられた電圧を示し、 「時間」は装置の運転された時間の長さを示す。 Experimental output data for various operating conditions are shown in Table I. In Table I, "OCV" indicates the release voltage, "Voltage" indicates the voltage obtained at the specified current load, and "Time" indicates the length of time the device has been running.

このデータから分かるように、最大の電力出力は セル温度154℃でストリッパー温度が265℃のと きえられた。運転1及び3における作動流体は、 95モル%のHPOと5モル%のNH− POの混合物であった。運転2における95モル %のHPOと5モル%のNHPOの 混合物に対しては、相当な量のアンモニア・ガス が加えられた。As you can see from this data, the maximum power output is The cell temperature was 154 ℃ and the stripper temperature was 265 ℃. Working fluid in operation 1 and 3, of 95 mol% H 3 PO 4 and 5 mole% of NH 4 H 2 - was a mixture of PO 4. For a mixture of 95 mol% at the operating 2 H 3 PO 4 and 5 mole% NH 4 H 2 PO 4, significant amounts of ammonia gas were added.

表IIに示すように異なった燐酸濃度を採用する ことにより異なった量の水が取入れられた。 Different amounts of water were incorporated by employing different phosphoric acid concentrations as shown in Table II.

運転番号1及び3では全圧力が1気圧(0psig) となるように、運転番号3では3psig即ち21 kPaゲージとなるように水素が加えられた。アン モニア及び水蒸気の圧力は、運転番号1と3にお いては300mmHgであると推定された。 Hydrogen was added so that the total pressure was 1 atm (0 psig) in Runs 1 and 3, and 3 psig or 21 kPa gauge in Run 3. The pressure of ammonia and water vapor was estimated to be 300 mmHg in operation numbers 1 and 3.

運転番号1及び3では、定常状態運転を保証す るには装置の循環時間を68分よりも十分長く取 った。運転番号2では運転は定常状態であったよ うだが、装置の圧力変動のため、2つの入力流が 20分後には混じり合ってしまった。 For run numbers 1 and 3, the equipment circulation time was taken to be well above 68 minutes to ensure steady state operation. It seems that the operation was in the steady state in the operation number 2, but the two input flows were mixed after 20 minutes due to the pressure fluctuation of the device.

ここに述べた実験の説明は、単に閉ループ運転 を実証するのが目的であり、最適運転条件を示し たものではないことに留意しなければならない。 It should be noted that the description of the experiments presented here is merely intended to demonstrate closed-loop operation and does not represent optimum operating conditions.

本発明の熱的電気化学装置の上記の実験的実証 に加えて、更に本発明の装置の有効性と実用性を 裏付ける実験的な試験を行った。1つのブレーカ ー内に陰極区画を設けもう1つのブレーカー内に 陽極区画を設けて、測定時にわずかに開かれるテ フロン弁を持った接続用の塩ブリッジを設けた装 置で、155℃において0.510ボルトの解放電圧が えられた。固体白金電極及び100%濃度の燐酸陰 極溶液と(NHHPO内の(NH PO陽極溶液が用いられた。水素ガスの圧力は 陰極区画では1気圧に、陽極区画では約0.5気圧 に維持された。したがって、このデータは移動が アンモニウム陽イオンのみに限定されない望まし くない実験条件を示している。陽イオン交換膜を 使っていたとすれば、移動が主にアンモニウム陽 イオンによることが保証されただろう。温度に対 して解放電圧を測定した結果、ギッッブス・ヘル ムホルツの式による再生熱(エンタルピ)が実験 的に求められた。熱エネルギ入力の実験値は23.7 キロカロリー/等量であった。OCVの測定値か ら電気エネルギ出力の計算値は11.8キロカロリ ー/等量となった。次の式を使って効率(η)の 計算値は50%となった。In addition to the above-mentioned experimental demonstration of the thermo-electrochemical device of the present invention, further experimental tests were carried out to support the effectiveness and practicality of the device of the present invention. A device with a cathode compartment in one breaker and an anode compartment in the other breaker, with a connecting salt bridge with a Teflon valve that opens slightly during measurement, at 0.510 at 155 ° C. The release voltage of the bolt was obtained. A solid platinum electrode and a 100% strength phosphoric acid negative electrode solution and an (NH 4 ) 3 PO 4 anolyte solution in (NH 4 ) 3 HPO 4 were used. The hydrogen gas pressure was maintained at 1 atm in the cathode compartment and about 0.5 atm in the anode compartment. Therefore, this data represents an undesired experimental condition in which migration is not limited to ammonium cations only. Had a cation exchange membrane been used, the migration would have been guaranteed to be primarily due to ammonium cations. As a result of measuring the release voltage with respect to temperature, the heat of regeneration (enthalpy) by the Gibbs-Helmholtz equation was experimentally obtained. The experimental value of heat energy input was 23.7 kcal / equivalent. From the measured OCV, the calculated electrical energy output was 11.8 kilocalories / equal. Using the following formula, the calculated efficiency (η) is 50%.

η=出力電気エネルギ/入力熱エネルギ 実験データはまた、本発明を実用するのに必要 な熱交換過程の有効性を示している。温度と燐酸 二水素アンモニウムからのアンモニア蒸気圧との 間の関係を調べた文献中のデータを使って、この データを使用したクラウジュース−クラベイロン の式を積分すれば、150℃と約550の間の燐酸 二水素アンモニウムの比熱は150℃と約550℃の 間のアンモニア・プラス燐酸の比熱に等しい。こ のため、本発明を実用化するに当って、約550℃ に加熱されている燐酸二水素アンモニウムと約1 50℃に冷却されている燐酸及びアンモニアとの間 には優れた熱交換が行われうることになる。また、 更に熱移転の計算を行った結果、すべての実際の 損失を考慮に入れても、300w/kgの電力密度 で40%又はカルノー・サイクルにおける80%と いう高い効率が実現できることになる。第1図に 示されている熱機関装置総重量は考慮に入れたが、 ラシーバやラジエータの重量は考慮していない。 η = Electrical electrical energy / Input thermal energy Experimental data also show the effectiveness of the heat exchange process necessary for practicing the invention. Using the data in the literature investigating the relationship between temperature and the vapor pressure of ammonia from ammonium dihydrogen phosphate, integrating the Claujueus-Claveilon equation using this data, between 150 ° C and about 550 The specific heat of ammonium dihydrogen phosphate is equal to that of ammonia plus phosphoric acid between 150 ° C and about 550 ° C. Therefore, in the practical application of the present invention, excellent heat exchange is performed between ammonium dihydrogen phosphate heated to about 550 ° C. and phosphoric acid and ammonia cooled to about 150 ° C. You will be able to break. Moreover, as a result of further heat transfer calculations, even with all actual losses taken into account, a high efficiency of 40% at a power density of 300 w / kg or 80% at the Carnot cycle can be achieved. Although the total weight of the heat engine equipment shown in Fig. 1 is taken into consideration, the weight of the receiver and radiator is not taken into consideration.

最後に、実験データの示すところでは、本発明 を実用する際に望ましい反応が起こるのに都合の よい動力学となっている。150-200℃での燐酸内 の燃料電池電極の分極値は陰極と陽極のいずれで もほぼ等しいので、白金板における陰極分極損失 を150℃で100%燐酸と、100%燐酸二水素アンモ ニウムについて比較した。112mVの過電位におい て、100%燐酸水素二アンモニウムでの204ma/ cm2に比べ、100%燐酸では784ma/cm2の電流 がえられた。この結果から、燐酸アンモニウムの 動力学は、(わずか50mVの損失で1A/cm2の運 転が可能な)燐酸燃料電池発電プラント水素電極 の動力学とほとんど同じ速さであることが示され ている。特に、この結果からは、アンモニアの吸 収がガス側で起こりえないPd−Agについての データは燐酸アンモニウム電極に比べ燐酸の場合 に極めて類似していることがうかがえる。Finally, experimental data indicate that the kinetics are favorable for the desired reactions to occur in the practice of the invention. Since the polarization values of fuel cell electrodes in phosphoric acid at 150-200 ° C are almost the same for both the cathode and the anode, the cathode polarization loss in a platinum plate is 100% phosphoric acid at 150 ° C for 100% phosphoric acid and 100% ammonium dihydrogen phosphate. Compared. At an overpotential of 112 mV, a current of 784 ma / cm 2 was obtained with 100% phosphoric acid, compared with 204 ma / cm 2 with 100% diammonium hydrogen phosphate. The results show that the kinetics of ammonium phosphate is almost as fast as the kinetics of the phosphoric acid fuel cell power plant hydrogen electrode (capable of operating 1 A / cm 2 with only 50 mV loss). There is. In particular, this result suggests that the data for Pd-Ag, where ammonia absorption cannot occur on the gas side, is very similar to that for phosphoric acid compared to the ammonium phosphate electrode.

上述の装置は100℃と500℃の間で77%のカ ルノー高率で運転できる能力を持っている。その 作動温度範囲から、装置は単一周期熱機関又は組 合わせ周期変換機におけるボトミング・サイクル として有用となる。装置は、エア・ブレイトン、 熱電子アネルギ変換、そしてナトリウム熱機関な どのトッピング・サイクルと組合わせることがで きる。また、装置は安全で環境的に健全であるの で、太陽熱変換、電力利用産業のエネルギ変換、 宇宙エネルギ変換、地熱エネルギ変換、核エネル ギ変換、遠隔地エネルギ変換、無音エネルギ変換、 そして他の幾多の応用など、幅広い応用に使用す ることができる。 The equipment described above has the capacity to operate at a high Carnot rate of 77% between 100 ° C and 500 ° C. The operating temperature range makes the device useful as a bottoming cycle in a single cycle heat engine or a combined cycle converter. The device can be combined with topping cycles such as air Brayton, thermionic anergy conversion, and sodium heat engine. Also, because the device is safe and environmentally sound, solar heat conversion, energy conversion in the electric power industry, space energy conversion, geothermal energy conversion, nuclear energy conversion, remote energy conversion, silence energy conversion, and other It can be used for a wide range of applications, including numerous applications.

もっと一般的な点での本発明の上記具体例を見 わたして、本発明の以下の特徴が注目される。 Looking at the above embodiments of the invention in a more general sense, the following features of the invention are noted.

a)陰極区画内の作動流体は濃縮燐酸からな る。セルの反応の間は、燐酸からの水素イオン が消費され、水素及びHPO が発生する。a) The working fluid in the cathode compartment consists of concentrated phosphoric acid. During the reaction of the cell, hydrogen ions from phosphoric acid are consumed and hydrogen and H 2 PO 4 are generated.

また、NH4 +イオンが陽イオン透過膜を通って 陰極区画に混入する。NH 4 + ions also mix into the cathode compartment through the cation permeable membrane.

b)陽極区画内の作動流体はいくらかの水分 を伴った溶融形の燐酸アンモニウム塩からなる。 b) The working fluid in the anode compartment consists of the ammonium phosphate salt in molten form with some water content.

セルの反応の間は、塩からの燐酸塩イオンは水 素イオンと反応して水素とHPO −2が発生し 陽極区画内の水素イオン濃度を減らす。したが って燐酸塩イオンはセルの濃度の薄い側(つま り陽極区画)で水素イオン濃度を低く保たせ続 ける。During the reaction of the cell, phosphate ions from the salt reduces the concentration of hydrogen ions in the anode compartment occurs hydrogen and HPO 4 -2 reacts with hydrogen ions. Therefore, the phosphate ion keeps the hydrogen ion concentration low on the side of the cell where the concentration is low (that is, the anode compartment).

c)セルの運転を続けるには、セルの反応生 成物をセルから除去し、陽極区画及び陰極区画 に対する開始物質が再生される処理条件に置か ねばならない。 c) To continue the operation of the cell, the reaction products of the cell must be removed from the cell and placed in process conditions where the starting materials for the anode and cathode compartments are regenerated.

d)陰極区画に対する燐酸は、陰極区画内で 形成される(NHHPO反応生成物を 直接熱分解することにより再生される。d) Phosphoric acid for the cathode compartment is regenerated by direct thermal decomposition of the (NH 4 ) 2 HPO 4 reaction product formed in the cathode compartment.

e)上述“d”項の(NHHPO反 応生成物もまたアンモニアと水を発生する。こ のアンモニアと水は、陰極区画内で形成された (NHHPO反応生成物と反応し、陽 極区画の開始物質である(NHPOを 形成する。e) The (NH 4 ) 2 HPO 4 reaction product of section “d” above also produces ammonia and water. The ammonia and water react with the (NH 4 ) 2 HPO 4 reaction product formed in the cathode compartment to form (NH 4 ) 3 PO 4 , the starting material for the positive compartment.

作動流体が燐酸及び溶融燐酸アンモニウム塩で あるような本発明のより望ましい実施例について はかなり詳細な説明を行ったが、本発明はこれら の特定の作動流体に限定されるものではない。今 上に述べた一般的な説明の観点から、本発明の実 用に適する作動流体は以下のように特徴付けるこ とができる。陰極溶液は、最少量の水と濃縮され た強ブレンステッド酸(pKa、3以下)からな る水溶液で所要の電圧を発生するための水素イオ ン濃度が出せるものである。また、セル反応の間 に、酸の陰イオンの部分は陽極からのセル反応生 成物と結合して中間分解生成物を造ることができ なければならない。そしてこの中間分解生成物は 陽極からのセル反応生成物と結合して、陽極反応 のための開始物質を作ることができなければなら ない。陽極溶液は少量の水を含んだ比較的低融点 (即ち20-200℃)の溶融塩からなる。塩の陰イ オンの部分は陽極区画内で水素イオン濃度を減ら す反応を起こすことができなければならない。塩 の陽イオンの部分は、陽極区画から膜を通って陰 極区画に移動することができ、陰極区画内で形成 される陰イオン生成物と結合して熱的に酸を分解 し前述の中間生成物を形成することができなけれ ばならない。 Although a more detailed description has been given of more preferred embodiments of the invention where the working fluid is phosphoric acid and molten ammonium phosphate salt, the invention is not limited to these particular working fluids. In view of the general description just given above, a working fluid suitable for use in the present invention can be characterized as follows. The catholyte solution is an aqueous solution consisting of a minimum amount of water and concentrated strong Bronsted acid (pKa, 3 or less), which can provide the hydrogen ion concentration for generating a required voltage. Also, during the cell reaction, the anion portion of the acid must be able to combine with the cell reaction product from the anode to form an intermediate decomposition product. This intermediate decomposition product must then be able to combine with the cell reaction product from the anode to form the starting material for the anodic reaction. The anolyte solution consists of a relatively low melting point (ie 20-200 ° C) molten salt containing a small amount of water. The negative ion portion of the salt must be capable of undergoing reactions that reduce the hydrogen ion concentration in the anode compartment. The cation portion of the salt can move from the anode compartment through the membrane to the anion compartment and combine with the anion product formed in the cathode compartment to thermally decompose the acid, resulting in It must be able to form a product.

本発明の模範的な実施例の説明はこれで終わる が、この技術に精通している者は、模範例におけ る発表は単なる例にすぎず、他の各種の代案や適 用そして変形は本発明の範囲内であることを銘記 しなければならない。したがって、本発明はここ に説明した特定の実施例に限定されるものではな い。 This completes the description of the exemplary embodiments of the present invention, but those skilled in the art will understand that the announcements made in the exemplary embodiments are merely examples, and that various other alternatives, applications, and variations are not possible. It must be noted that it is within the scope of the invention. Therefore, the invention is not limited to the specific embodiments described herein.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明による望ましい模範的な実施例 を系統図的に示したものである。 第2図は本発明の望ましい模範的な実施例によ るアンモニア再生のための第2の代法を系統図的 に示したものである。 第3図は本発明の望ましい模範的な実施例によ るアンモニア再生のための第3の代法を系統図的 に示したものである。 第4図は使用済みの電解液及び再生された電解 液の貯蔵タンクを使うという第1図の一部の方法 を系統図的に示したものである。 第5図は本発明の望ましい模範的実施例による 閉ループ方式の試験を行うための実験の段取りを 系統図的に示したものである。 10…電気化学的電池、 12…フラッシュ・ストリッパー、 14…コンデンサー、16…陰極区画、 18…陽極区画、22…陰極、24…陽極、 30…熱交換器、100,102…貯蔵タンク FIG. 1 is a systematic diagram showing a preferred exemplary embodiment according to the present invention. FIG. 2 is a systematic diagram of a second alternative method for ammonia regeneration according to a preferred exemplary embodiment of the present invention. FIG. 3 is a systematic diagram of a third alternative method for ammonia regeneration according to a preferred exemplary embodiment of the present invention. FIG. 4 is a systematic diagram showing a part of the method of FIG. 1 in which a storage tank for used electrolyte and regenerated electrolyte is used. FIG. 5 is a systematic diagram showing the set-up of an experiment for conducting a closed-loop test according to a preferred exemplary embodiment of the present invention. 10 ... Electrochemical cell, 12 ... Flash stripper, 14 ... Condenser, 16 ... Cathode compartment, 18 ... Anode compartment, 22 ... Cathode, 24 ... Anode, 30 ... Heat exchanger, 100, 102 ... Storage tank

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【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平1.10.19 (1)特許請求の範囲を別紙のとおりに訂正する。 (2)明細書第14頁第8行の「(発明が解決しようとす
る課題)」を「(課題を解決するための手段)」と訂正
する。 (3)明細書第15頁第9行の「反応生成物を生じる。」
を「反応生成物が陽極において生じる。」と訂正する。 (4)明細書第30頁第3行〜第4行の「陰極や陽極の溶
液を「陰極溶液、又は陰極溶液及び陽極溶液」と訂正す
る。 (5)第2図及び第3図を添付の第2図及び第3図と差し
替える。
[Submission date] Hei 1.10.19 (1) Amend the claims as shown in the attached sheet. (2) "(Problems to be solved by the invention)" on page 14, line 8 of the description is corrected to "(Means for solving the problem)". (3) “The reaction product is formed.” On page 15, line 9, of the specification.
Is corrected to "the reaction product occurs at the anode." (4) In the description, page 30, line 3 to line 4, "cathode or anode solution" is corrected as "cathode solution or cathode solution and anode solution". (5) Replace Figures 2 and 3 with the accompanying Figures 2 and 3.

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール・ダブリュー・タウンセンド アメリカ合衆国カリフォルニア州90066, ロサンジェルス,ウォルシュ・アベニュー 12920,アパートメント 18 (72)発明者 ブルース・エム・エリアシュ アメリカ合衆国カリフォルニア州90034, ロサンジェルス,ハージス・ストリート 9106 ─────────────────────────────────────────────────── ————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————— 19-72-Would You Like To Stay? Hajs Street 9106

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電流を発生する熱電気化学装置で, a)陰極区画と陽極区画を有し、前記両区画に 共通な隔壁を有する電気化学電池と、 b)それぞれの前記区画内にあって、電流を発 生するために前記電池の外部接続を可能とする陰 極及び陽極と、 c)前記陰極区画内に前記陰極と接触して存在 する選ばれた強ブレンステッド酸(Bronstead acid)の濃縮水溶液からなり、電流の発生中に水 素イオンが消費されて水素ガス及び第1のセル反 応生成物を発生する陰極溶液と、 d)前記陽極区画内に前記陽極と接触して存在 する選ばれた比較的低融点の溶融塩溶液からなり、 前記塩の陰イオンが水素ガスと反応することによ って前記陽極区画内の水素イオン濃度を減らして 第2のセル反応生成物を形成し、また前記塩の陽 イオンが熱で分解されて水素イオンを発生する陽 極溶液と、 e)前記の第1のセル反応生成物を熱的に前記 の選ばれた酸及び中間再生生成物に変換する熱化 学的再生器と、 f)前記第1のセル反応生成物を含む前記陰極 溶液を前記陰極区画から前記熱化学的再生器へ移 送する手段と、 g)前記熱化学的再生器内で形成される前記選 ばれた酸を前記陰極区画へ移送して前記電流の発 生中に消費される前記の選ばれた酸を補給する陰 極再生手段と、 h)前記陽極区画からの前記第2のセル反応生 成物と前記の化学的再生器からの中間再生生成物 とを結合させることにより前記溶融塩を形成する 手段と、 i)前記h工程における前記結合の結果発生す る熱を除去する手段と、 j)前記熱化学的再生器内で発生する前記中間 再生生成物を前記結合手段へ移送する手段と、 k)前記第2のセル反応生成物含有する陽極溶 液を前記結合手段へ移送する手段と、 l)前記結合手段内で生成された前記溶融塩を 前記陽極区画へ移送することにより電流の発生中 に消費される前記溶融塩を補給する陽極再生手段 とからなる熱電気化学装置。1. A thermoelectrochemical device for generating an electric current, comprising: a) an electrochemical cell having a cathode compartment and an anode compartment and having a partition common to both compartments; and b) in each compartment. An anode and an anode that allow external connection of the battery to generate an electric current; and c) a selected strong Bronstead acid present in contact with the cathode in the cathode compartment. A catholyte solution consisting of a concentrated aqueous solution, in which hydrogen ions are consumed during the generation of an electric current to generate hydrogen gas and first cell reaction products; and d) present in the anode compartment in contact with the anode. It consists of a selected relatively low melting point molten salt solution, and the anion of the salt reacts with hydrogen gas to reduce the hydrogen ion concentration in the anode compartment to form a second cell reaction product. In addition, the cations of the salt are decomposed by heat. And a thermochemical regenerator for thermally converting the first cell reaction product to the selected acid and intermediate regeneration product, and f). Means for transferring the catholyte solution containing the first cell reaction product from the cathodic compartment to the thermochemical regenerator; and g) removing the selected acid formed in the thermochemical regenerator. Negative electrode regeneration means for replenishing the selected acid that is transported to the cathode compartment and consumed during the generation of the current; h) the second cell reaction product from the anode compartment and the The means for forming the molten salt by combining with the intermediate regeneration product from the chemical regenerator, i) means for removing heat generated as a result of the combining in the step h, and j) the heat. Transfer the intermediate regeneration product generated in the chemical regenerator to the coupling means K) means for transferring the anolyte solution containing the second cell reaction product to the binding means, and l) transferring the molten salt produced in the binding means to the anode compartment. A thermoelectrochemical device comprising an anode regeneration means for replenishing the molten salt consumed during the generation of an electric current. 【請求項2】 前記陰極区画内で発生する水素ガスを前
記陽 極区画へ送って電流の発生中に前記陽極において 消費させる手段を含む請求項1に記載の熱電気化 学装置。
2. The thermoelectrochemical apparatus according to claim 1, further comprising means for sending hydrogen gas generated in the cathode compartment to the cathode compartment for consumption at the anode during the generation of electric current.
【請求項3】 前記熱化学的再生器内の前記選ばれた酸
と前 記結合手段内で発生した前記溶融塩とを、前記酸 が前記陰極区画へ、前記溶融塩が前記陽極区画へ 送られる前に分離して貯蔵するための貯蔵タンク を含む請求項1に記載の熱電気化学装置。
3. The acid is sent to the cathode compartment and the molten salt is sent to the anode compartment between the selected acid in the thermochemical regenerator and the molten salt generated in the coupling means. The thermoelectrochemical device according to claim 1, further comprising a storage tank for separately storing before being stored.
【請求項4】 前記第1のセル反応生成物を含む陰極溶
液と 前記第2のセル反応生成物を含む陽極溶液とを、 前記陰極溶液が前記の熱化学的再生器手段へ、前 記陽極溶液が前記結合手段へ送られる前に分離し て貯蔵するための貯蔵タンクを含む請求項1に記 載の熱電気化学装置
4. A cathode solution containing the first cell reaction product and an anolyte solution containing the second cell reaction product, wherein the cathode solution is supplied to the thermochemical regenerator means. The thermoelectrochemical device of claim 1 including a storage tank for separating and storing the solution before it is sent to the coupling means.
【請求項5】 前記熱を除去する手段が前記結合手段と
組合 わせられている請求項1に記載の熱電気化学装置。
5. A thermoelectrochemical device according to claim 1, wherein the means for removing heat is associated with the coupling means.
【請求項6】 前記陽極及び陰極が不活性電極である請
求項 1に記載の熱電気化学装置。
6. The thermoelectrochemical device according to claim 1, wherein the anode and the cathode are inert electrodes.
【請求項7】 前記電気化学的電池が多数直列に接続さ
れる 請求項1に記載の熱電気化学装置。
7. The thermoelectrochemical device according to claim 1, wherein a plurality of the electrochemical cells are connected in series.
【請求項8】 電流を発生するための熱電気化学装置
で、 a)陰極区画及び陽極区画を有し、該両区画が 共通のイオン透過隔壁を有する電気化学電池と、 b)それぞれの前記区画内に置かれ、電流発生 のために前記電池の外部的接続を可能する陰極及 び陽極と、 c)前記陰極区画内で前記陰極に接触している 燐酸の濃縮水溶液からなり、電流の発生中に前記 陰極において水素ガス及び燐酸二水素アンモニウ ムが発生し、燐酸が消費される陰極溶液と、 d)前記陽極区画内で前記陽極と接触する燐酸 アンモニウム及び/又は燐酸一水素アンモニウム の溶融塩溶液からなり、電流の発生中に前記陽極 において燐酸アンモニウム及び水素ガスが消費さ れ燐酸一水素アンモニウム又は燐酸一水素及び二 水素アンモニウムが発生する陽極溶液と、 e)前記陰極区画内で発生する燐酸二水素アン モニウムを燐酸及びアンモニアに熱的に変換する 熱化学的再生器と、 f)前記燐酸二水素アンモニウムを含む陰極溶 液を前記陰極区画から前記の熱化学的再生器へ移 送する手段と、 g)前記の熱化学的再生器内で形成される燐酸 を前記陰極区画へ送り電流の発生中に消費される 燐酸を補給するための陰極再生手段と、 h)前記熱化学的再生器内で形成される燐酸か ら熱を除去しこの熱を前記移送される陰極溶液へ 移す手段と、 i)アンモニアと燐酸一水素アンモニウムを結 合させて燐酸アンモニウムを作り水蒸気を凝縮さ せる燐酸アンモニウム再生器と、 j)前記熱化学的再生器内で発生するアンモニ ア及び水を燐酸一水素アンモニウムとの結合及び 反応のため前記燐酸アンモニウム再生器へ移送す る手段と、 k)燐酸一水素アンモニウムを含む陽極溶液を アンモニアとの結合及び反応のため前記燐酸アン モニウム再生器へ移送し前記の燐酸アンモニウム を形成させる手段と、 l)前記再生器内で形成される燐酸アンモニウ ムを前記陽極区画へ移送し電流の発生中に消費さ れる燐酸アンモニウムを補給する陽極再生手段と からなる熱電気化学装置。
8. A thermoelectrochemical device for generating an electric current, comprising: a) an electrochemical cell having a cathode compartment and an anode compartment, both compartments having a common ion-permeable partition; and b) each said compartment. A cathode and an anode, which are placed inside and allow an external connection of the battery for the generation of an electric current, and c) consisted of a concentrated aqueous solution of phosphoric acid in contact with the cathode in the cathode compartment during the generation of an electric current. And a cathode solution in which hydrogen gas and ammonium dihydrogen phosphate are generated at the cathode to consume phosphoric acid, and d) a molten salt solution of ammonium phosphate and / or ammonium monohydrogen phosphate in contact with the anode in the anode compartment. And an anode solution in which ammonium phosphate and hydrogen gas are consumed in the anode during the generation of an electric current to generate ammonium monohydrogen phosphate or monohydrogen phosphate and ammonium dihydrogen. E) a thermochemical regenerator that thermally converts the ammonium dihydrogen phosphate generated in the cathode compartment into phosphoric acid and ammonia; and f) a cathode solution containing the ammonium dihydrogen phosphate from the cathode compartment. Means for transferring to said thermochemical regenerator, g) sending phosphoric acid formed in said thermochemical regenerator to said cathode compartment, cathodic regeneration for replenishing phosphoric acid consumed during the generation of current Means for removing heat from the phosphoric acid formed in the thermochemical regenerator and transferring this heat to the transferred catholyte solution; and i) combining ammonia with ammonium monohydrogen phosphate. An ammonium phosphate regenerator that produces ammonium phosphate and condenses water vapor; j) the ammonium and hydrogen phosphate generated for binding and reaction of ammonium and water generated in the thermochemical regenerator with ammonium monohydrogen phosphate. And (k) means for transferring an anolyte solution containing ammonium monohydrogen phosphate to the ammonium phosphate regenerator for binding and reaction with ammonia to form the ammonium phosphate, l). A thermoelectrochemical device comprising: an anode regeneration means for transferring ammonium phosphate formed in the regenerator to the anode compartment and replenishing ammonium phosphate consumed during generation of an electric current.
【請求項9】 前記熱化学的再生器手段が、 前記陰極溶液を約300〜650℃の温度に加熱し て燐酸二水素アンモニウムを熱的に燐酸及びアン モニアに変換する手段、及び アンモニアを燐酸二水素アンモニウムから分離 する手段を含む請求項7に記載の熱電気化学装置。9. The thermochemical regenerator means heats the catholyte solution to a temperature of about 300 to 650 ° C. to thermally convert ammonium dihydrogen phosphate into phosphoric acid and ammonia, and ammonia to phosphoric acid. The thermoelectrochemical device according to claim 7, comprising means for separating from ammonium dihydrogen. 【請求項10】 モル・ベースで0.1〜6部の燐酸一水
素アン モニウム、0.1〜2部の燐酸二水素アンモニウム、 0.1〜2部の燐酸、及び0.1〜50部の水からなる 作動流体が使われる請求項8に記載の熱電気化学 装置。
10. A working fluid comprising 0.1 to 6 parts ammonium monohydrogen phosphate, 0.1 to 2 parts ammonium dihydrogen phosphate, 0.1 to 2 parts phosphoric acid, and 0.1 to 50 parts water on a molar basis. The thermoelectrochemical device according to claim 8, which is provided.
【請求項11】 前記陽極及び前記陰極が白金、パラジ
ウム、 パラジウム−銀合金、多孔性グラファイト−テフ ロン白金めっき燃料電池電極から選ばれた材料で 構成される請求項8に記載の熱電気化学装置。
11. The thermoelectrochemical device according to claim 8, wherein the anode and the cathode are made of a material selected from platinum, palladium, a palladium-silver alloy, and a porous graphite-Teflon platinum-plated fuel cell electrode. .
【請求項12】 前記系内の圧力が約5〜400psi(34〜2
760 kPa)である請求項8に記載の熱電気化学装置。
12. The pressure in the system is about 5 to 400 psi (34 to 2 psi).
The thermoelectrochemical device according to claim 8, which is 760 kPa).
【請求項13】 前記熱を除去する手段が前記の燐酸ア
ンモニ ウム再生器手段と組合わせられている請求項8に 記載の熱電気化学装置。
13. A thermoelectrochemical device according to claim 8, wherein the means for removing heat is combined with the ammonium phosphate regenerator means.
【請求項14】 陽極と陰極間に電流を発生させるため
の方法 であって、 a)陰極を濃縮燐酸水溶液からなる陰極溶液に 接触させ、前記陰極と陰極溶液とが陰極区画に置 かれ、前記陰極区画が陽極区画と共通のイオン透 過隔壁を有し、 b)陽極を前記陽極区画内で陽極溶液と接触さ せ、前記陽極溶液が燐酸アンモニウム及び/又は 燐酸一水素アンモニウムの溶融塩溶液からなり、 前記陽極及び陰極は両極間に電流を発生するため 接続が可能であり、電流発生中に前記陰極で水素 ガス及び燐酸二水素アンモニウムが発生し燐酸が 消費され、電流の発生中に陽極で燐酸アンモニウ ム及び水素ガスが消費され燐酸一水素アンモニウ ム又は燐酸一水素及び二水素アンモニウムが発生 し、 c)水素ガスを前記陽極区画に導入し、 d)燐酸二水素アンモニウムを含む陰極溶液を 前記陰極区画から除去し、 e)除去された陰極溶液内の燐酸二水素アンモ ニウムを熱的に燐酸、アンモニア、及び水に変換 し、 f)前記の熱的に変換された燐酸からの熱を燐 酸二水素アンモニウムを含む前記除去された陰極 溶液へ移し、 g)熱的に形成された燐酸を前記陰極溶液に移 し電流の発生中に消費された燐酸を補給し、 h)燐酸一水素アンモニウムを含む陽極溶液を 前記陽極区画から除去し、 i)前記除去された陽極溶液中の燐酸一水素ア ンモニウムをアンモニアと反応させ、燐酸二水素 アンモニウムから燐酸への熱的変換の間に生じた 水を凝縮させて燐酸アンモニウムを形成し、 j)燐酸一水素アンモニウムのアンモニアとの 反応により生じた燐酸アンモニウムを前記陽極区 画に移し電流の発生中に消費された燐酸アンモニ ウムを補給することからなる陽極と陰極間に電流 を発生させる方法。
14. A method for generating an electric current between an anode and a cathode, comprising: a) contacting the cathode with a catholyte solution consisting of concentrated phosphoric acid aqueous solution, said cathode and catholyte solution being placed in a cathodic compartment; The cathode compartment has an ion-permeable partition in common with the anode compartment, b) contacting the anode with an anolyte solution in said anodic compartment, said anolyte solution from a molten salt solution of ammonium phosphate and / or ammonium monohydrogen phosphate The anode and cathode can be connected because they generate a current between both electrodes, and hydrogen gas and ammonium dihydrogen phosphate are generated at the cathode during current generation, phosphoric acid is consumed, and during the generation of current, the anode Ammonium phosphate and hydrogen gas are consumed to generate ammonium monohydrogen phosphate or monohydrogen phosphate and ammonium dihydrogen, c) hydrogen gas is introduced into the anode compartment, and d) dihydrogen phosphate. Removing the catholyte solution containing ammonium from the cathodic compartment; e) thermally converting the ammonium dihydrogen phosphate in the removed catholyte solution into phosphoric acid, ammonia, and water; Heat from the phosphoric acid is transferred to the removed catholyte solution containing ammonium dihydrogen phosphate, and g) the thermally formed phosphoric acid is transferred to the catholyte solution to replenish the phosphoric acid consumed during the generation of current. H) removing the anolyte solution containing ammonium monohydrogen phosphate from the anodic compartment, and i) reacting the ammonium monohydrogen phosphate in the removed anolyte solution with ammonia to thermally convert ammonium dihydrogen phosphate to phosphoric acid. The water produced during the conversion is condensed to form ammonium phosphate, and j) the ammonium phosphate produced by the reaction of ammonium monohydrogen phosphate with ammonia is transferred to the anodic compartment. Method of generating a current between the anode and cathode which comprises replenishing the phosphate ammonium um consumed during generation of the flow.
【請求項15】 前記燐酸二水素アンモニウムが、除去
された 陰極溶液内で燐酸二水素アンモニウムを少なくと も約300℃に加熱することにより熱的に変換され、 燐酸二水素アンモニウムが燐酸及びアンモニアに 変換される請求項14に記載の方法。
15. The ammonium dihydrogen phosphate is thermally converted in the removed catholyte solution by heating the ammonium dihydrogen phosphate to at least about 300 ° C., wherein the ammonium dihydrogen phosphate is converted to phosphoric acid and ammonia. 15. The method of claim 14, which is transformed.
【請求項16】 前記陰極において発生した水素ガスを
陰極区 画から除去して前記陽極区画に導入し前記陽極に おいて反応させる請求項14に記載の方法。
16. The method according to claim 14, wherein the hydrogen gas generated at the cathode is removed from the cathode compartment and introduced into the anode compartment for reaction at the anode.
【請求項17】 前記陽極及び陰極が不活性電極である
請求項 14に記載の方法。
17. The method of claim 14, wherein the anode and cathode are inert electrodes.
【請求項18】 前記陽極溶液及び前記陰極溶液の温度
が少な くとも100℃又はそれ以上に維持される請求項14 に記載の方法。
18. The method of claim 14, wherein the temperature of the anolyte solution and the catholyte solution is maintained at least 100 ° C. or higher.
【請求項19】 前記装置にモル・ベースで0.1〜6部
の燐酸 一水素アンモニウム、0.1〜2部の燐酸二水素ア ンモニウム、0.1〜2部の燐酸、及び0.1〜50部 の水からなる作動流体が使われる請求項14に記載 の方法。
19. An operation of the apparatus comprising on a molar basis 0.1 to 6 parts ammonium monohydrogen phosphate, 0.1 to 2 parts ammonium dihydrogen phosphate, 0.1 to 2 parts phosphoric acid, and 0.1 to 50 parts water. The method according to claim 14, wherein a fluid is used.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013542547A (en) * 2010-03-18 2013-11-21 ブラックライト パワー インコーポレーティド Electrochemical hydrogen-catalyst power system
JP2016035924A (en) * 2011-04-05 2016-03-17 ブラックライト パワー インコーポレーティド H2o-based electrochemical hydrogen-catalyst power system
CN109958479A (en) * 2017-12-22 2019-07-02 浙江大学 Heat chemistry heat accumulation hot electron power generation device

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013542547A (en) * 2010-03-18 2013-11-21 ブラックライト パワー インコーポレーティド Electrochemical hydrogen-catalyst power system
JP2015149284A (en) * 2010-03-18 2015-08-20 ブラックライト パワー インコーポレーティド Electrochemical hydrogen-catalyst power system
JP2016035924A (en) * 2011-04-05 2016-03-17 ブラックライト パワー インコーポレーティド H2o-based electrochemical hydrogen-catalyst power system
CN109958479A (en) * 2017-12-22 2019-07-02 浙江大学 Heat chemistry heat accumulation hot electron power generation device
CN109958479B (en) * 2017-12-22 2024-01-09 浙江大学 Thermochemical heat storage hot electron power generation device

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