JPH10513306A

JPH10513306A - ガルバノ収着反応電池

Info

Publication number: JPH10513306A
Application number: JP8523895A
Authority: JP
Inventors: ペーターヴィンツ
Original assignee: ペーターヴィンツ
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1998-12-15
Also published as: FI973269A0; RU2154878C2; ATE183022T1; EP0809869A1; AU4618596A; DE59602624D1; WO1996024959A1; AU707049B2; FI973269A; CA2212512A1; KR19980702088A; US20020004164A1; BR9607106A; EP0809869B1

Abstract

(57)【要約】本発明は、低温の熱、好ましくは廃熱を有用な電気エネルギーに変換するために物質が閉じられた状態で循環しているガルバノ収着反応電池に関する。反応電池及び関連のある等圧の物質回路を示す。電池内のガルバノ反応工程は、電池の固有電圧に重畳される静電気補助電圧により多属性的に行われる。このように、物質に関係のない反応エネルギー及び反応システムが冷却された時の物質に関連した反応エネルギーの両方を反応システムから得ることができる。ガルバノ収着反応電池の電気エネルギー収率及び電力密度は、それによりかなり増加する。

Description

【発明の詳細な説明】ガルバノ収着反応電池本発明は収着反応ワークを有用な電気ワークに変換することにより、担体ガス／蒸気の混合物と蒸気を吸収する溶液とからなる三成分系を反応電池に供給及び電池から排出すると共に、供給及び排出された物質の流れを等圧（isobaric）の物質回路に形成し、反応電池の外側で溶液が熱分解され、溶液成分が分離されるガルバノ収着反応電池に関する。等圧の物質回路に水素及びアンモニア水溶液を含み、反応電池の外側で溶液が熱分解され、蒸発溶液成分の再液化が行われる変形型のガルバノ反応電池はＤＥ３３０２６３５Ａ１から公知である。ガルバノ反応電池の設計及び等圧物質回路の設計は両方とも電池内のガルバノ反応機構及びその性能に問題がある。一つには、陰極側で反応電池へ液化状にて供給されたアンモニアが含む残留水分によって、操作時、反応電池において液体アンモニアは絶えず希釈され、希釈されたアンモニアが電池から連続的に抽出されることがないため、短時間で操作は停止する。一方、計量不可能である物質回路により反応電池の電力及び電圧が不安定になる。さらに、アンモニア液化の廃熱が物質回路に残されることにより熱電エネルギー変換の熱効率が増加する方法は、液化廃熱の再生、例えば飽和温度よりも高い温度での過熱アンモニア蒸気の液化を可能にしないという工程特徴に基づく。さらに、液体アンモニアにおけるガス状水素の溶解性が低いので、陰極の反応領域への反応物質の化学量論的導入は限られた程度にしか可能ではないので、物質変換、従って電気エネルギー収率に対する効果が漸減する。さらに、反応電池内において水素と液体アンモニアの等圧混合から蒸気圧の部分的低下が生じるのでエネルギー収率が減少する。閉じられた等圧物質の循環が行われる、一般原則として異なる種類の反応電池は文献ＤＥ−ＯＳ１５９６１４３及びＤＥ−ＯＳ１５９９１５３から公知である。ハロゲン化水素溶液は成分系として作用し、該ハロゲン化水素溶液は部分的に電気分解され、即ち電気エネルギーが水素元素及び相当する液体ハロゲン化物に加えられ、それにより分解物は再び再結合電池に供給され、最初の水溶液に変換され、電気エネルギーが放出される。ここで、有限量の包囲熱が有用な電気エネルギーに変換されるが、前者は最終的に両方の工程処理の有用な電圧差から生じる。収着反応ワークではなく、化学反応ワークの再結合電池内で使用され、開示されている再結合電池で失われるので、電解分離への追加電気エネルギーとして費やすことが可能である。ここで採用されている根本原理は成分系の分解及び再結合の理想的な電圧値であり、それは平衡値を示すことが知られており、従って反応方向の一つへの物質のいかなる変換も示さない。顕著な物質変換が生じるとすぐに、両方の反応工程の電圧値は同様となり、その結果、開示されているワーク収量が減少する。さらに、収着反応ワークの損失によりワーク収量が減少するので、この効果の技術的利用の見込みはあまりない。さらに、ＥＰ０５３１２９３に記載されている、収着反応ワークを電気ワークに変換するための等圧の方法は、担体ガス及び熱分解可能な収着作用を有する水溶液を使用して、閉じられた三成分循環が行われ、それによりエネルギー変換がガルバノ収着反応電池内で行われる一方で、溶液の熱分解及び溶液成分の分離が反応電池の外で行われるように意図されている。さらに、等圧物質回路を備えたガルバノ収着及び電気化学エネルギーの変換方法がＥＰ−ＯＳ９１９１７４９７から公知である。この新規なガルバノ収着反応電池の設計も反応電池内で行われ設計に影響を及ぼす反応機構もこれら二件の文献から出たわけではないので、原理を技術的に利用するための重要な前提条件が欠けている。従って本発明の課題は収着工程において電池内で行われる反応機構を考慮に入れた、収着反応ワークを有用な電気ワークに変換するための技術利用可能なガルバノ収着反応電池を原理とする設計である。また、本発明の課題は、供給及び排出された物質の流れを操作上、安定し、調節可能である等圧物質回路に形成し、工程効率が高い一方で、上述したガルバノ反応電池の問題を回避することである。さらに、本発明の課題は供給された物質の流れに潜在し容易に変化する熱を利用することによりこのガルバノ収着反応電池の電気エネルギー収率が物質変換を上回って増加することである。ガルバノ収着反応電池を原理とする技術利用可能な設計という課題は、薄膜電解質電池の請求項１の特徴の組み合わせと液体ギャップ電池の請求項２の特徴の組み合わせにより解決され、それにより両方の電池形状において幾何学上の修正を施すことなく陰イオン発生及び陽イオン発生の両方の反応機構が可能になる。有用なワークを発生させる溶液における蒸気の収着液化により、ガルバノ反応電池における、例えば液体に対する水素の溶解性が低いことやガルバノ電池が反応ワークとして直接、液化熱の一部を得ることができないことのような物質変換の不利な条件をガルバノ収着電池により有利な方法で除去する。このようにガルバノ収着反応電池はガルバノ反応電池よりも高いエネルギー収率及び効率を達成することができる。請求項３の特徴の組み合わせにより、蒸気成分と液体成分とに熱分解可能ないかなる収着混合液体も、例えば水素又は酸素のような蒸気を含むイオンを形成する担体ガスと組み合わせて、ガルバノ収着反応工程においてガルバノ収着反応電池に使用可能である。イオン電導率を改善するために必要な場合は、溶剤に溶解可能で固有の蒸気圧がごく僅かである電解質を個々の成分系に加えることができ、その結果、反応電池の内部抵抗は有利な方法で減少させることができる。これらの反応電池の構造材は選択した成分系に適合させる必要がある。担体ガスと組み合わせ可能なこのような混合液体は例えばＮＨ₃、Ｈ₂ＳＯ₄もしくはＬｉＢｒの水溶液又は溶液ＮＨ₃／ＬｉＮＯ₃である。これら及びその他の溶液はその低温での利用可能性に関してニーバゴールにより「吸収冷却システムに作用する物質の組」において研究された。これら溶液の低温使用は熱電エネルギー変換にも有利であり、これは多くの技術工程における廃熱をコストがかからない変換可能な熱エネルギー源として使用することができるからである。請求項５の工程特徴によると、ガルバノ収着電池に作用する担体ガス−蒸気の混合物と収着溶液との蒸気分圧の差は、システム圧全体、従って一回限りの担体ガスの充填ばかりでなく回路に送られる蒸気を貯えた担体ガスの循環速度によっても増加させることができる。このことにより、内蔵されている電池部品に機械的な負荷を追加することなく有用な電圧の増加がもたらされ、物質回路の外側部分に設けられているガス圧縮器の消費電力がわずかに高くなるだけである。このように有益な可能性もＤＥ３３０２６３５Ａ１に開示されているガルバノ反応電池では得られない。ガルバノ収着反応電池内で断熱工程が行われる結果、電池の設計は構造的に単純になる。これは電池内に相当する熱伝達経路を設ける必要がないからである。請求項４の特徴によると、このような経路は非断熱工程に必要である。これらの内部を流れる熱伝達媒体、好ましくは同種の溶液は吸収溶液及び溶液により湿らされている電極と熱接触し、反応電池を冷却及び加熱することができる。ガルバノ収着反応電池の電気エネルギー収率を増加させるという課題は活性源が設けられている請求項６により解決され、活性源は外側から準静電気電圧差を電極に恒久的に与え、それにより電圧差は数ボルトに達することができ、電池の固有電圧差に重畳される。それにより反応電池内に濃縮溶液の温度低下とともに、収着蒸気の液化がもたらされ、それにより適用された電圧差は温度低下に比例し且つ溶液濃度の増加に反比例し、外部負荷抵抗器の有効電圧差から電池電圧損を減じたものとして得られる。この方法によりガルバノ収着電池の電力密度も有用な電気ワーク収率とは別に増加し、熱効率もさらに増加する。請求項７の特徴の組み合わせにより、反応電池に供給及び電池から排出される物質の流れは等圧の物質回路として形成され、回路は操作上安定した状態でガルバノ収着反応電池の物質電位差を得ることができ、互いに独立した搬送装置により調節可能であり、工程成分が結合され、高い熱電効率を示す。活性源の静電気電圧がガルバノ収着反応電池内の反応工程に作用する場合、請求項８の特徴の組み合わせにより、物質回路の外側部分におけるプロセスエンジニアリングリング技術の使用は明らかに簡潔化され、ガルバノ収着反応電池のエネルギー収率は増加する。本発明を図１から７により説明する。詳細には図面は以下を示す：図１は汎用可能なガルバノ収着性の薄膜電解質電池の機能上の原理及び構造の概略を示し、陰イオンを発生する三成分系ＳＩ：［Ｏ₂ ^g，Ｈ₂Ｏ^V］［ＯＨ^-EL，Ｅｌ］［ＬｉＢｒ^aq，Ｏ₂ ^g］及び陽イオンを発生する三成分系ＳII：［Ｈ₂ ^g，ＮＨ₃ ^V］［Ｈ₃Ｏ^+EL，Ｅｌ］［ＮＨ₃ ^aq，Ｈ₂ ^g］を例証し、図２は汎用可能なガルバノ収着性の液体ギャップ電池の機能上の原理及び構造の概略を示し、陰イオンを発生する三成分系ＳIII：［Ｏ₂ ^g，Ｈ₂Ｏ^V］［ＯＨ^-aq ，Ｈ₂ＳＯ₄ ^aq］［Ｏ₂ ^g，Ｈ₂ ＳＯ₄ ^aq］及び陽イオンを発生する三成分系ＳIV：［Ｈ₂ ^g，Ｈ₂Ｏ^V］［Ｈ₃Ｏ^+aq ，Ｈ₂ＳＯ₄ ^aq］［Ｈ₂ＳＯ₄ ^aq，Ｈ₂ ^g］を例証し、図３は断熱的なガルバノ収着反応電池の循環工程及び物質の状態を任意のイオンを発生する三成分系のＴ／ξ及びＰ／ξの略図で示し、図４は図３における循環工程による閉じられた等圧の物質回路を備えたガルバノ収着反応電池の機能回路図を示し、図５は任意のイオンを発生する三成分系のための、静電気により支持されているガルバノ収着反応電池の循環工程及び物質の状態をＴ／ξ及びＰ／ξの略図で示し、図６は図５における循環工程による、静電気により支持され、閉じられた等圧の物質回路を備えたガルバノ収着反応電池の機能回路図を示し、そして図７は活性源が設けられているガルバノ収着反応電池の電気等価回路の略図を示す。ガルバノ収着性の薄膜電解質電池の機能の構造及び態様を図１の実施例によりさらに詳細に説明する。薄膜電解質電池を形成する電池ハウジング（２）は、媒体により密閉し動電気的に分離する周辺部に設けられたシール（３）により第一ハウジング部（２．１）及び第二ハウジング部（２．２）に分割されている。ハウジング（２）は平面状で多孔性でありガス透過性の第一電極（４）及び平面状で多孔性であり液体浸透性の第二電極（５）を収納している。電極面の間に設けられている二者択一で選択的に陽イオンまたは選択的に陰イオン透過性の薄膜状電解質（６）は、多孔性電極（４、５）を備え、機械的に安定している複合装置を形成している。薄膜状電解質（６）から離れている第一電極面（４．２）が第一ハウジング部（２．１）とともに形成しているスリット状ガス経路（７）に、蒸気が飽和している陽イオン発生担体ガス型［Ｇ，Ｖ］又は蒸気が飽和している陰イオン発生担体ガス型［Ｇ，Ｖ］が流れる。薄膜状電解質（６）から離れている第二電極面（５．２）が第二ハウジング部（２．２）とともに形成しているスリット状液体経路（８）に、飽和状態が不十分な蒸気吸収溶液［Ｓ］が流れる。電極（４、５）は、電流引込み並びに引出し装置（９、１０）及び外部負荷抵抗器（１１）により電気的に短絡している。概略が示されている電流引込み及び引出し装置（９、１０）は図１において９０度回転して設けられている。それらは幾何学的に燃料電池から公知の伝導システムのように形成されているので、電極の反応面をわずかに減少させるだけであり、スリット状経路（７、８）内の貫流を妨げない。第一ハウジング部（２．１）における開口（１２．１、１２．２）を介して、蒸気分圧が高い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｒ、（ＺＰ４）がガス経路（７）に供給され、蒸気分圧が減少し、量が減少している蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｍ、（ＺＰ１）が排出される。第二ハウジング部（２．２）における開口（１３．１、１３．２）を介して、蒸気濃度がより低く、蒸気分圧が低く、飽和状態が不十分である溶液［Ｓ］ｐ、（ＺＰ２）が液体経路（８）に供給され、蒸気濃度が増加し、蒸気分圧が低く、飽和状態が不十分な溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ３）及び同じく蒸気分圧が低い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）の二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）が排出される。例えば水素のような陽イオン発生ガス型、及びこの陽イオン型を選択的に通過させる薄膜状電解質（６）を使用する場合、ガス経路（７）から水素及び蒸気を消費し、陽極が酸化した結果、陽イオンが第一電極（４）の位相境界（４．１）（ガス／固体／電解質）に形成される。これらは薄膜電解質（６）を通り第二電極（５）へ泳動し、その位相境界（５．２）（ガス／液体／固体）において、等価量の水素の遊離を伴う陰極還元の結果、液体経路（８）に流れる溶液の濃度を増加させる。ここで電子は第一電極（４）から伝導装置（９、１０）及び外部負荷抵抗器（１１）を介して第二電極（５）に流れる。例えば酸素のような陰イオン発生ガス型、及びこの陰イオン型を選択的に通過させる薄膜電解質（６）を使用する場合、ガス経路（７）から酸素及び蒸気を消費し、陰極還元の結果、陰イオンが第一電極（４）の位相境界（４．１）（ガス／固体／電解質）に形成される。これらは薄膜電解質（６）を通り第二電極（５）へ泳動し、その位相境界（５．２）（ガス／液体／固体）において、等価量の酸素の遊離を伴う陽極酸化の結果、液体経路（８）に流れる溶液の濃度を増加させる。ここで電子は第二電極（５）から電流伝導装置（１０、９）及び外部負荷抵抗器（１１）を介して第一電極（４）に流れる。図１による薄膜電解質電池に供給及び電池から排出される流体の流れに対して指定され、丸印で示された状態点（ＺＰ１からＺＰ４）は各流体の流れが飽和の平衡状態にあることを示し、状態の大きさ［Ｐ、Ｔ、ξｓ、ξｖ］により画定されている。それらは図３による循環工程に関する。薄膜電解質電池内のガルバノ収着反応工程における物質の電位差は、物質の流れが反応電池において局所化すると生じる。このため、蒸気飽和ガスの流れが搬送され、部分量を好ましくは溶液の流れと反対方向に、電池内の電極面と平行に吸引することにより横方向に除去される。蒸気濃度ξＶは反応工程の間、一定である。陰イオン発生反応系（ＳＩ）として酸素と結合した臭化リチウムの水溶液及び陽イオン発生反応系（ＳII）として水素と結合したアンモニア水溶液は薄膜電解質電池の三成分系の例として選択された。さらに二つの、酸素と結合した（ＳII I）及び水素と結合した（ＳIV）硫酸水の三成分系が液体ギャップ電池の例として図２に示されている。成分系（ＳＩ、ＳIII及びＳIV）において水が蒸発混合成分であり、成分系（ＳII）においてはアンモニアである。選択された三成分系の例は両方の型の電池構造に使用可能である。ガルバノ収着反応系は以下の通りである。 S I :[O₂ ^g,H₂O^V],[OH^-EL,El],[LiBr^aq,O₂ ^g] （陰イオン発生） S II :[H₂ ^g,NH₃ ^V],[NH₄ ^+EL,El],[NH₃ ^aq,H₂ ^g] （陽イオン発生） S III:[O₂ ^g,H₂O^V],[OH^-aq,H₂SO₄ ^aq],[H₂SO₄ ^aq,O₂ ^g] （陰イオン発生） S IV :[H₂ ^g,H₂O^V],[H₃O^+aq,H₂SO₄ ^aq],[H₂SO₄ ^aq,H₂ ^g]（陽イオン発生）電極の組及び薄膜電解質〔Ｅｌ〕は、選択された反応系において実際、幾何学上、同様であるが、機能の態様及び材料の構造が異なる。電極反応を成分系（ＳII）に関してより詳細に述べる。反応系(SII): a|(NH₃ ^V,H₂ ^g)^a|NH₄ ^+EL,El|NH₃ ^aq,H₂ ^g)^β|β 陰極反応a: e^a+NH₄ ^+EL=(NH₃ ^V+¹/₂H₂ ^g)^a 陽極反応β: (NH₃ ^aq+¹/₂H₂ ^g)^β=NH₄ ^+EL+e^β 電池反応(a+β):e^a+(NH₃ ^aq+¹/₂H₂ ^g)^β=(NH₃ ^V+¹/₂H₂ ^g)^a+e^β 物質電位差: (ψ^β-ψ^a)_st.=(R×T/F)×ln[(P_a/P_β)_NH3×(P_a/P_β)^1/2 _H2] 静電位差: (ψ^β-ψ^a)_est.=[Cp×(T₁-T₂)_NH3aq.±Q_rev.]/F 本発明のさらなる展開として、ガルバノ収着液体ギャップ電池の構造及び機能態様を図２の実施例により、より詳細に述べる。液体ギャップ電池を形成する電池ハウジング（２１）は、媒体により密閉し動電気的に分離する周辺部に設けられたシール（２２）により第一ハウジング部（２１．１）及び第二ハウジング部（２１．２）に分割されている。ハウジング（２１）は平面状で機械的に安定し多孔性でありガス透過性の第一電極（２３）及び第二ハウジング部（２１．２）にギャップなく隣接している平面状の第二電極（２４）を収納している。第一ハウジング部（２１．１）及び第一電極（２３）の互いに向き合う面が形成しているスリット状ガス経路（２５）を、蒸気が飽和している陽イオン発生担体ガス型又は蒸気が飽和している陰イオン発生担体ガス型［Ｇ，Ｖ］が流れる。互いに向き合う電極の面が形成しているスリット状液体経路（２６）を、飽和状態が不十分であり、蒸気を吸収し、イオンを伝導する溶液［Ｓ］が流れる。電極（２３、２４）は、電流引込み並びに引出しシステム（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）により電気的に短絡している。ガス側の電流伝導システムは幾何学上、燃料電池のガス電極のように形成され、図２に概略が示されているが９０度回転している。第一ハウジング部（２１．１）における開口（３０．１、３０．２）を介して、蒸気分圧が高い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｒ、（ＺＰ４）がガス経路（２５）に供給され、蒸気分圧が減少し、量が減少している蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｍ、（ＺＰ１）が排出される。第二ハウジング部（２１．２）における開口（３１．１、３１．２）を介して、蒸気成分濃度が減少し、蒸気分圧が低く、飽和状態が不十分である溶液［Ｓ］ｐ、（ＺＰ２）が液体経路（２６）に供給され、蒸気成分濃度が増加し、蒸気分圧が低く、飽和状態が不十分な溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ３）及び同じく蒸気分圧が低い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）の二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）が排出される。水素のような陽イオン発生ガス型を使用する場合、ガス経路（２５）から水素及び蒸気を消費し、陽極が酸化した結果、陽イオンが第一電極（２３）の位相境界（２３．２）（ガス／液体／固体）に形成される。これらは溶液の流れを横切りイオン伝導液体ギャップ（３２）を通り第二電極（２４）へ泳動し、その位相境界（２４．１）（ガス／液体／固体）において、等価量の水素の遊離を伴う陰極還元の結果、液体経路（２６）に流れる溶液の濃度を増加させる。ここで電子は第一電極（２３）から電流伝導システム（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）を介して第二電極（２４）に流れる。酸素のような陰イオン発生ガス型を使用する場合、ガス経路（２５）から酸素及び蒸気を消費し、陰極が還元した結果、陰イオンが第一電極（２３）の位相境界（２３．２）（ガス／液体／固体）に形成される。これらは溶液の流れを横切りイオン伝導液体ギャップ（３２）を通り第二電極（２４）へ泳動し、その位相境界（２４．１）（ガス／液体／固体）において、等価量の酸素の遊離を伴う陽極酸化の結果、液体経路（２６）に流れる溶液の濃度を増加させる。ここで電子は第二電極（２４）から電流伝導システム（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）を介して第一電極（２３）に流れる。図１と同じ状態点（ＺＰ１からＺＰ４）が反応電池に供給され、電池から排出される流体の流れに対して指定されている。これらを指定し従って反応電池の固有電圧により液体ギャップ電池内の反応工程における物質の電位差が生じる。このため、蒸気が飽和したガス流も搬送され、部分量を好ましくは溶液の流れと反対方向に、電池内の電極面に平行に吸引することにより横方向に除去される。流体の流れの状態点（ＺＰ１からＺＰ４）は物質回路の外側部分に設定されている。図３は例えば互いに相当している二つの状態の略図においてアンモニア水溶液で等圧的に行われる循環工程を示す。担体ガスは第三成分として、ここでは、それ自身システム圧力全体を介して感じられるだけであり、循環工程において一定である。蒸気成分及び溶液の飽和温度及び飽和圧力は溶液濃度 ξｓに対して各場合において表示されている。類似した循環工程を実行及び提示できる水溶液は、蒸気成分として水蒸気を形成し、それにより溶液はガルバノ収着反応工程において希釈される。図３による循環工程は次の状態変化を含む。溶液の準等温分離（ＺＰ４ｓ，ＺＰ_-v→ＺＰ１ｓ，ＺＰ４ｖ）、加熱を伴い、物質が一定で内部における復熱再循環(ＺＰ１ｓ→ＺＰ２'ｓ)ｐ／(ＺＰ３ｓ→ＺＰ４ｓ)ｒ、物質が一定である温度の低下（ＺＰ２’ｓ→ＺＰ２ｓ）ｐ、熱放射及び初溶液の準等温、ガルバノ収着再構成（ＺＰ４ｖ、ＺＰ２ｓ→ＺＰ３ｓＺＰ１ｖ）を伴い、ワークは外部へ放出される。図３による循環工程は、図４に示され後述するように外部物質回路部のプロセスエンジニアリング技術展開の基礎を形成する。この外部物質回路部の開発は担体ガスと結合したいかなる熱分離可能な溶液にも適用可能である。加熱されたガス蒸気濃縮器（４２）は、位相分離器、溶液復熱器（４３）、溶液冷却器（４４）、位相分離器（４５）、溶液ポンプ（４６）及びガス圧縮器（４７）とともに外部負荷抵抗器（４１）とともに反応電池（４０）に接続されている。回路における物質の経路は次の通りである。反応電池（４０）から排出された二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）は上方の位相分離器（４５）に供給され、そこで位相［Ｓ］ｒ、（ＺＰ３）と［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）に分離される。位相分離器（４５）の上部で排出された蒸気希薄ガス［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ３）は、反応電池（４０）から排出された適度に蒸気が希薄であるガス［Ｇ，Ｖ］ｍ、（ＺＰ１）と結合し、混合物［Ｇ，Ｖ］ｘ、（ＺＰ−）はガス圧縮器（４７）により上方のガス蒸気濃縮器（４２）に供給され、濃縮器において加熱された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ４）の方へ蒸気の吸上げとともに搬送される。ガス蒸気濃縮器（４２）の上部で排出された蒸気濃縮ガス［Ｇ，Ｖ］ｒ、（ＺＰ４）は再び反応電池（４０）に供給される。下部で位相分離器（４５）から排出された蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ３）は溶液ポンプ（４６）により溶液復熱器（４３）の二次側を搬送され、上部でガス蒸気濃縮器（４２）、（ＺＰ４）に導入される。蒸気希薄溶液［Ｓ］ｐ、（ＺＰ１）はガス蒸気濃縮器（４２）の下部で排出され、溶液復熱器（４３）、（ＺＰ２'）の一次側及び溶液冷却器（４４）、（ＺＰ２）を通過し、同様に反応電池（４０）に供給される。ガルバノ収着反応電池における物質の供給及び抽出はこのように、物質電位差を保持している物質回路の外側部分により確実に行われる。外部物質回路部のプロセスエンジニアリング部品（４０から４７）には、丸で囲んだ状態点（ＺＰ１）から（ＺＰ４）が、図３に従って、各場合、組成［−］が表示されている個々の物質の流れにおける部品の物質入口及び物質出口に示されている。それらは部品（４０から４７）内の各物質の流れの状態における変化を示している。溶液復熱器（４３）及びガス回路（ＺＰ−）における混合の流れの一次側溶液出口（ＺＰ２'）のように、物質回路における中間の状態も示されている。それらはガルバノ反応電池の操作特質にあまり影響を及ぼさない。溶液［Ｓ］ｒを蒸発させるために熱がガス蒸気濃縮器（４２）に供給され、溶液冷却器（４４）において低温レベルでのみ溶液［Ｓ］ｐから多くの熱が抽出されるのでガルバノ反応電池内の反応工程は断熱的に行われる。有用な電気ワークが外部負荷抵抗器（４１）を介して反応電池（４０）から抽出される。溶液ポンプ（４６）及びガス圧縮器（４７）の駆動力は小さい。これらの搬送装置の両方が、物質回路全体の流動圧力損のみをほぼ圧力差なしに搬送し、置換しなければならないからである。プロセスエンジニアリング構造において外部物質回路はガルバノ収着反応電池の設計（図１及び図２）から独立している。溶剤の固有蒸気圧力を備えた溶液の熱分解で、蒸気飽和担体ガスに含まれる溶剤の蒸気圧が高すぎて、反応電池から連続的に除去しているにもかかわらず反応電池内のガルバノ収着反応工程を妨げるであろう場合は、ガス蒸気濃縮器（４２）の下流に接続するべき部分逆流凝縮による蒸気の純化を追加することができる。部分的な逆流凝縮も、蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒの余剰冷却力を使用することにより復熱しながら行うことができる。特殊な熱電エネルギー変換の循環工程が図５に示されている。ガルバノ収着反応工程を外側から静電気で支えることにより可能である。二つの相当する状態図には溶液及び蒸気成分の飽和温度及び飽和圧力が各々溶液の濃度に対して示されているが、何れの場合も三角形の工程として示されている。再び担体ガスはそれ自身、物質循環の一定である全体システム圧力を介してのみ感じられ、それによりＰ_tot.＝Ｐ_V＋Ｐ_Gである。循環工程は次の状態変化を含む。溶液の準等温、熱分離（ＺＰ３ｓ，ＺＰ１ｖ →ＺＰ３ｖ，ＺＰ１ｓ）、外側からの加熱を伴う物質が一定な溶液の加熱（ＺＰ２ｓ→ＺＰ３ｓ）、そして等温物質変化と等エントロピーの物質一定での温度低下とが重畳し、ワークが外側へ放出された結果、（多属性の）ガルバノ収着溶液の再構成（ＺＰ１ｓ，ＺＰ３ｖ→ＺＰ２ｓ，ＺＰ１ｖ）状態点は再び、関連する流体の流れに対して平衡状態で、それらの状態の大きさ（Ｐ、Ｔ、ξｓ、ξｖ）により画定される。多属性のガルバノ収着反応工程における物質の電位差は流体の流れを反応電池に局所化することにより得られる。さらに、電極の電位が静電気により支持され、蒸気吸収溶液が電池使用電圧の増加に伴って強制的に冷却される。反応電池内の多属性の収着工程はこの場合、断熱的又は非断熱的に行われ、静電気により電極に与えられる電圧差により外部から影響される。ガルバノ収着反応電池における物質の電位差から生じる固有の電池電圧によりイオンの流れ、従って外部電気回路に電子の流れが生じる一方で、固有電圧に重畳された静電気電圧により蒸気飽和溶液の温度低下が生じる。さらに外部から静電気により与えられた電圧は、多属性収着工程において溶液の温度低下に比例し、溶液濃度の増加に反比例する。電池の固有電圧値の数倍になることができる。反応電池の使用電圧を介して、その有用な電気ワーク収率が静電気により追加された電圧に比例して増加する。多属性のガルバノ収着反応工程を行うための始動及び操作条件は、反応電池の固有電圧が物質の電位差から生じて存在することである。図５による循環工程は平衡状態にない反応電池において物質供給及び物質抽出を実行可能にするための外部物質回路部のプロセスエンジニアリング技術開発の基礎を形成する。閉じられた物質回路を図６に示し、以下に述べる。加熱された溶液加熱器（５１）、位相分離器を兼ねるガス蒸気濃縮器（５２）、位相分離器（５３）、溶液ポンプ（５４）及びガス圧縮器（５５）が外部負荷抵抗器（５６）を備え静電気活性源（５７）が接続された反応電池（５０）に接続されている。このような三成分系に適用される外部回路部における物質の一般的な経路は以下の通りである。反応電池（５０）から排出される二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐ、（ＺＰ２）は上方の位相分離器（５３）に供給され、そこで位相［Ｓ］ｒ、（ＺＰ２）と［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ２）に分離される。位相分離器（５３）の上部で排出された蒸気希薄ガス［Ｇ，Ｖ］ｐ、（ＺＰ２）は、反応電池（５０）から排出された適度に蒸気が希薄であるガス［Ｇ，Ｖ］ｍ、（ＺＰ１）と結合し、混合物［Ｇ，Ｖ］ｘ、（ＺＰ−）はガス圧縮器（５５）により下部でガス蒸気濃縮器（５２）に供給され、加熱された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ３）の方へ蒸気の吸上げとともに搬送される。ガス蒸気濃縮器（５２）の上部で排出された蒸気濃縮ガス［Ｇ，Ｖ］ｒ、（ＺＰ３）は再び反応電池（５０）に供給される。位相分離器（５３）の下部で排出された蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒ、（ＺＰ２）は溶液ポンプ（５４）により溶液加熱器（５１）を搬送され（ＺＰ３）、上部でガス蒸気濃縮器（５２）に導入され、ガス蒸気濃縮器（５２）の下部で排出された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｐ、（ＺＰ１）も再び反応電池（５０）に供給される。ガルバノ収着反応電池における物質の供給及び抽出はこのように、物質回路の外側部分により確実に行われる。図６の物質回路における個々の流体の流れはアンモニア水溶液と結合した担体ガスとしての三成分系水素の例として示されている。溶液の濃度が非常にわずかに増加するので、物質の電位差から生じ、イオンの流れを誘発するために必要な電池の固有電圧も非常に小さいことを考慮に入れる必要がある。この場合、反応電池に供給するべき蒸気希薄溶液［Ｓ］ｐは、冷却された蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒへの逆流に設けるべき復熱器によって、部分的にあらかじめ冷却することができ、このように物質の電位差、従って反応電池の固有電圧を増加させることができる。さらに部分的な逆流凝縮による蒸気成分の洗浄も必要な場合、追加することができる。図６による物質回路のプロセスエンジニアリング技術開発はいかなる成分系にも適用可能である。多属性の反応工程を行うガルバノ反応電池（６０）の電気回路への静電気活性源（６２）の接続が図７の電気等価回路図に示されている。活性源（６２）は反応電池（６０）及び消費抵抗器（６１）に平行に電気接続されている。活性源（６２）は可変に調節可能な直流電圧源（６３）及び電流の流れを２、３ｍＡに制限する二つの阻止ダイオード（６４、６５）を備える。反応電池（６０）及び活性源（６２）の電位の方向は同じであり、それと同様、反応電池（６０）の内部抵抗器（６６）と消費抵抗器（６１）とは同じ抵抗であり、それにより消費抵抗器（６１）は反応電池（６０）の内部抵抗器（６６）に適合可能である。活性源（６２）がオフされると、反応電池（６０）は、その物質電位差及び消費抵抗器（６１）を介して反応電池（６０）に戻る使用電流ｌｚの流れに基づき、その低い固有電圧を発生する。使用電圧はここではΔＵ_eff.＝ΔＵ_st.−ｌ_eff _. ×Ｒｚになる。活性源（６２）がオンされると、使用電流ｌ_eff.＝ｌｚ＋¹/₂ｌ_D が、静電気電圧部分Ｕ_est.だけ増加した電圧ΔＵ_o＝ΔＵ_st.＋ΔＵ_est.で消費抵抗器（６１）を介して流れる一方で、電池使用電流（ｌｚ−¹/₂ｌ_D）が反応電池（６０）に戻り、伝導状態の電流ｌ_Dが活性源（６２）から流出し、再び戻る。反応電池（６０）の使用電圧はここではΔＵ_eff.＝ΔＵ_o−（ｌｚ−¹/₂ｌ_D） ×Ｒｚになり、それにより伝導状態の電流ｌ_Dはｌ_zよりも非常に小さく従ってごく僅かである。静電気電圧部分Ｕ_est.だけ増加した反応電池（６０）の電力は多属性の反応工程における溶液冷却の結果生じる。

Claims

【特許請求の範囲】１．蒸気／担体ガスの混合物及び蒸気を吸収する溶液からなる三成分系を供給及び排出し、収着反応ワークを有用な電気ワークに変換するためのガルバノ収着反応電池（１）であって、電池ハウジング（２）が、媒体でシールし、動電気的に分離している周辺部に設けられたシール（３）により第一ハウジング部（２．１）と第二ハウジング部（２．２）に分割され、平面状で多孔性のガス透過性第一電極（４）及び平面状で多孔性の、ガス並びに液体透過性第二電極（５）を収納し、それにより電極面の間に選択的にイオン透過性薄膜電解質（６）が設けられ、該電解質は多孔性電極（４、５）とともに機械的に安定している複合装置を形成し、薄膜電解質（６）から離れている第一電極面（４．２）が第一ハウジング部（２．１）とともに形成しているスリット状ガス経路（７）に、蒸気が飽和しているイオン発生担体ガス型［Ｇ、Ｖ］が流れ、薄膜電解質（６）から離れている第二電極面（５．２）が第二ハウジング部（２．２）とともに形成しているスリット状液体経路（８）に、蒸気吸収溶液［Ｓ］が流れ、電極（４、５）は、電流引込み並びに引出し装置（９、１０）及び外部負荷抵抗器（１１）により電気的に短絡し、それにより第一ハウジング部（２．１）における開口（１２．１、１２．２）を介して、蒸気分圧が高い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｒがガス経路（７）に供給され、蒸気分圧が減少し、量が減少している蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｍが排出され、第二ハウジング部（２．２）における開口（１３．１、１３．２）を介して、蒸気濃度がより低く、蒸気分圧が低〈、飽和状態が不十分である溶液［Ｓ］ｐが液体経路（８）に供給され、蒸気濃度が増加し、蒸気分圧が低く飽和状態が不十分な溶液及び同じく蒸気分圧が低い蒸気飽和担体ガスの二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐが排出され、陽イオン発生ガス型及びこの陽イオン型を選択的に通過させる薄膜電解質（６）を使用する場合、ガス経路（７）から担体ガス及び蒸気を消費し、陽極が酸化した結果、陽イオンが第一電極（４）の位相境界（４．１）（ガス／固体／電解質）に形成され、これらは薄膜電解質（６）を通り第二電極（５）へ泳動し、その位相境界（５．２）（ガス／液体／固体）において、等価量の担体ガスの遊離を伴う陰極還元の結果、液体経路（８）に流れる溶液の濃度を増加させる一方、電子は第一電極（４）から電流伝導システム（９、１０）及び外部負荷抵抗器（１１）を介して第二電極（５）に流れ、又は陰イオン発生ガス型及びこの陰イオン型を選択的に通過させる薄膜電解質（６）を使用する場合、ガス経路（７）から担体ガス及び蒸気を消費し、陰極が還元した結果、陰イオンが第一電極（４）の位相境界（４．１）（ガス／固体／電解質）に形成され、これらは薄膜電解質（６）を通り第二電極（５）へ泳動し、その位相境界（５．２）（ガス／液体／固体）において、等価量の担体ガスの遊離を伴う陽極酸化の結果、液体経路（８）に流れる溶液の濃度を増加させる一方、電子は第二電極（５）から電流伝導システム（９、１０）及び外部負荷抵抗器（１１）を介して第一電極（４）に流れることを特徴とするガルバノ収着反応電池。２．蒸気／担体ガスの混合物及び蒸気を吸収する溶液からなる三成分系を供給及び排出し、収着反応ワークを有用な電気ワークに変換するためのガルバノ収着反応電池（２０）であって、電池ハウジング（２１）が、媒体でシールし、動電気的に分離している周辺部に設けられたシール（２２）により第一ハウジング部（２１．１）と第二ハウジング部（２１．２）に分割され、平面状で、機械的に安定し、多孔性のガス透過性第一電極（２３）及び第二ハウジング部（２１．２）にギャップなく隣接している平面状の第二電極（２４）を収納し、それにより第一ハウジング部（２１．１）及び第一電極（２３）の互いに向き合う面が形成しているスリット状ガス経路（２５）に、蒸気が飽和しているイオン発生担体ガス型［Ｇ、Ｖ］が流れ、互いに向き合う電極面が形成しているスリット状液体経路（２６）に、蒸気を吸収するイオン伝導溶液［Ｓ］が流れ、電極（２３、２４）は、電流引込み並びに引出し装置（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）により電気的に短絡し、それにより第一ハウジング部（２１．１）における開口（３０．１、３０．２）を介して、蒸気分圧が高い蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｒがガス経路（２５）に供給され、蒸気分圧が減少し、量が減少している蒸気飽和担体ガス［Ｇ，Ｖ］ｍが排出され、第二ハウジング部（２１．２）における開口（３１．１、３１．２）を介して、蒸気成分濃度が減少し、蒸気分圧が低く、飽和状態が不十分である溶液［Ｓ］ｐが液体経路（２６）に供給され、蒸気成分濃度が増加した飽和状態が不十分な溶液の［Ｓ］ｒ及び同じく蒸気分圧の低い蒸気飽和担体ガスの二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐが排出され、陽イオン発生ガス型を使用する場合、ガス経路（２５）から担体ガス及び蒸気を消費し、陽極が酸化した結果、陽イオンが第一電極（２３）の位相境界（２３．２）（ガス／液体／固体）に形成され、これらは溶液の流れを横切りイオン伝導液体ギャップ（３２）を通って第二電極（２４）へ泳動し、その位相境界（２４．１）（ガス／液体／固体）において、等価量の担体ガスの遊離を伴う陰極還元の結果、液体経路（２６）に流れる溶液の濃度を増加させる一方、電子は第一電極（２３）から電流伝導システム（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）を介して第二電極（２４）に流れ、又は陰イオン発生ガス型を使用する場合、ガス経路（２５）から担体ガス及び蒸気を消費し、陰極が還元した結果、陰イオンが第一電極（２３）の位相境界（２３．２）（ガス／液体／固体）に形成され、これらは溶液の流れを横切りイオン伝導ギャップ（３２）を通り第二電極（２４）へ泳動し、その位相境界（２４．１）（ガス／液体／固体）において、等価量の担体ガスの遊離を伴う陽極酸化の結果、液体経路（２６）に流れる溶液の濃度を増加させる一方、電子は第二電極（２４）から電流伝導システム（２７、２８）及び外部負荷抵抗器（２９）を介して第一電極（２３）に流れることを特徴とするガルバノ収着反応電池。３．ガルバノ収着反応工程に含まれるイオンを発生しシステム圧を均等にする担体ガスとは別に、蒸気成分と液体成分に熱分解可能な蒸気吸収溶液はいかなるものも原則として供給及び排出可能であり、それにより水素は陽イオン発生担体ガス型であり、酸素は陰イオン発生担体ガスからであり、ガルバノ収着反応工程全体に含まれる成分系である少なくとも三成分系に、イオン伝導率を増加するために溶剤に溶解可能で固有蒸気圧がわずかである電解成分を追加することができ、それにより反応電池の構造材は選択された成分系に対して不活性に作用することを特徴とする請求項１又は２によるガルバノ収着反応電池。４．ガルバノ反応工程が断熱的または非断熱的に行われ、それにより工程が非断熱的に行われる場合、溶液又はその電流伝導システムに接触している電極の経路は、熱を伝達する壁が媒体透過性であり、熱伝達媒体が流れる領域の全体に一様に分配されていることを特徴とする請求項３による反応電池。５．ガルバノ収着反応工程において溶液の濃度又は希釈度の一定増加及び担体ガスの一定の蒸気希薄化が確実に行われるように、媒体搬送装置により回路に搬送される物質位相の量が測定され、それによりシステム圧全体は回路に担体ガスを充填することにより調節され、三成分循環において達する上部蒸気分圧と同レベルか又はそれよりも高いことを特徴とする請求項３及び４による反応電池。６．電極には、それらに恒久的に数ボルトの準静電気電位差を与える活性源が設けられ、それによりこの電位差は電池の固有電圧差に重畳されることを特徴とする請求項（３、４及び５）による反応電池。７．位相分離器を組み合わせた加熱されたガス蒸気濃縮器（４２）、溶液復熱器（４３）、溶液冷却器（４４）、位相分離器（４５）、溶液ポンプ（４６）及びガス圧縮器（４７）を設けることにより、供給及び排出される物質の流れが、外部の熱による物質分解及び外部位相分離を伴う等圧の三成分回路に形成され、それにより反応電池（４０）から排出された二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐは上方の位相分離器（４５）に供給され、位相［Ｓ］ｒと［Ｇ，Ｖ］ｐに分離され、位相分離器（４５）の上部で排出された蒸気希薄ガス［Ｇ，Ｖ］ｐは、反応電池から排出された適度に蒸気が希薄であるガス［Ｇ，Ｖ］ｍと結合し、混合物［Ｇ，Ｖ］ｘはガス圧縮器（４７）により下部のガス蒸気濃縮器（４２）に供給され、濃縮器において加熱された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｒの方へ蒸気の吸上げとともに搬送され、ガス蒸気濃縮器（４２）の上部で排出された蒸気濃縮ガス［Ｇ，Ｖ］ｒは再び反応電池（４０）に供給される一方、下部で位相分離器（４５）から排出された蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒは溶液ポンプ（４６）により溶液復熱器（４３）（４１）の二次側を搬送され、上部でガス蒸気濃縮器（４２）に導入され、蒸気希薄溶液［Ｓ］ｐはガス蒸気濃縮器（４２）の下部で排出され、溶液復熱器（４３）の一次側及び溶液冷却器（４４）を通過し、反応電池（４０）に再び供給されることを特徴とする請求項５又は６による外部負荷抵抗器（４１）を備える反応電池（４０）。８．加熱された溶液加熱器（５１）、位相分離器と組み合わせたガス蒸気濃縮器（５２）、位相分離器（５３）、溶液ポンプ（５４）及びガス圧縮器（５５）を設けることにより、供給及び排出される物質の流れが、外部の熱による物質分解及び外部位相分離を伴う等圧の三成分回路に形成され、それにより反応電池（５０）から排出された二相混合物［Ｓ］ｒ、［Ｇ、Ｖ］ｐは上方の位相分離器（５３）に供給され、位相［Ｓ］ｒと［Ｇ，Ｖ］ｐに分離され、位相分離器（５３）の上部で排出された蒸気希薄ガス［Ｇ，Ｖ］ｐは、反応電池から排出された適度に蒸気が希薄であるガス［Ｇ，Ｖ］ｍと結合し、混合物［Ｇ，Ｖ］ｘはガス圧縮器（５５）により下部のガス蒸気濃縮器（５２）に供給され、濃縮器において加熱された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｒの方へ蒸気の吸上げとともに搬送され、ガス蒸気濃縮器（５２）の上部で排出された蒸気濃縮ガス［Ｇ，Ｖ］ｒは再び反応電池（５０）に供給される一方、位相分離器（５３）の下部から排出された蒸気濃縮溶液［Ｓ］ｒは溶液ポンプ（５４）により溶液加熱器（５１）を搬送され、上部でガス蒸気濃縮器（５２）に導入され、ガス蒸気濃縮器（５２）の下部で排出された蒸気希薄溶液［Ｓ］ｐは反応電池（５０）に再び供給されることを特徴とする請求項５及び６による外部負荷抵抗器（５６）を備え、活性源（５７）が接続された反応電池（５０）。