专利名称：电吸附反应电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从吸附的反应功转变为电有用功的电吸附反应电池，其中，向反应电池输送和引出一种三元的，包括一种载体气体/蒸汽混合物和一种吸收这种蒸汽的溶液的物质体系，以及输入和引出的物质流形成为一种具有在反应电池外部，溶液热分解的和溶液组分分离的等压物质循环。
一种改变形式的电流反应电池在DE 3302635A1中是已知的。它具有在等压的物质循环中的氢和氨的水溶液，该物质循环具有在反应电池外部进行的溶液热分解和蒸发出的溶液组分的再液化。不仅电流反应电池的设计而且等压的物质循环的设计，对于在电池内部的电流反应机理和它的工作性能都是不利的。
一方面是阴极侧液化了的被输送给反应电池的氨含有残余部分的水，这部分残余的水在运转时在反应电池中导致液态氨的不断稀释和由此在短时间之后导致运转停止，这是因为缺少从电池中连续排放被稀释的氨。另一方面是不可计量的物质循环引起反应电池的非稳态的功率特性和电压特性。此外，应如何将氨液化所放出的热量保留在物质运转中，和由此应如何提高热电能量转变的热效率的方法是建立在一些方法特征之上的，这些特征不允许回收液化放出的热量，例如在比饱和温度更高的温度下的过热氨蒸汽的液化。
除此之外，由于气态氢在液态氨中的溶解度小，将反应物当量化地引向阴极反应区只是有限地可能的，这往减少的方向影响到物质的转换和由此影响到电能的收益。由于在反应电池内部的氢和液态氨的等压混合，通过蒸汽分压力的降低而产生一种能量收益的进一步减少。
一种具有封闭的等压的物质循环的，在原理上为另一种的反应电池形式是从专利文献DE-OS 1596143和DE-OS 1599153中已知的。作为物质体系发生作用的是一种卤化氢的水溶液，该水溶液通过电解途径，就是说在输入电能的条件下部分地被分解成元素氢和相应的液态卤素，此时分解产物重新被输送给一种复合电池，并在输出电能情况下被转变成原始水溶液。此处应将最后由两个过程步骤的有效电压差引起的环境热的有限值转换成为有用的电能。在复合电池的内部，被利用的是化学反应功而不是吸附的反应功。后者是在已公开的复合电池上消失的，并且因此在电解分离时必须作为附加的电能来消耗。
此时已将物质体系的分解和复合的理想电压值作为基础，众所周知的它们表现为平衡值和因此在反应方向之一上没有显出物质转换。一旦发生一种可以觉察的物质转换时，两种反应步骤的电压值就互相平衡，由此已公开的功的收益被减少。此外，吸附的反应功的损失降低了功的收益，以致于这种效应的技术利用就很少有希望了。
此外在EP 0531293中描述了一种等压方法，此方法以封闭的三元的物质循环，在采用一种载体气体和一种可热解的起吸附作用的水溶液时，将吸附的反应功转变成电功。在此能量转换应在一种电吸附的反应电池中进行，溶液的热分解和溶液组分的分离相反是在反应电池外部进行的。其他的具有等压的物质循环的电吸附的和电化学的能量转换过程由EP-OS 91917497中是已知的。这两篇文章既没给出这种新式的，电吸附的反应电池的设计，也没给出在反应电池内部进行的，影响设计的反应机理，以致于缺少一种关于该原理的技术利用的基本前提。
本发明的任务因此是一种技术上可利用的电吸附反应电池的原理性设计，在考虑到在电池内部的吸附过程中所进行的反应机理的情况下，用来将吸附的反应功转换成电的有用功。本发明的一种另外的任务是将输进和引出的物质流形成为一种具有高过程效率的、运转稳定的、可调节的等压物质循环，而避免了前面所述的电流反应电池的缺点。本发明的一种其他任务是超出了物质转换之外，通过利用在输送给物质转换的物质流中所包含的潜在的和敏感的热量而增加这种电吸附反应电池的电能收益。
一种电吸附反应电池的技术上可利用的原理性设计的任务，用关于一种膜电解质电池的权利要求1的特征组合和用关于一种液体缝隙电池的权利要求2的特征组合来解决，在此，两种电池构型不作几何形状的改变，不仅使产生阴离子的反应机理而且使产生阳离子的反应机理成为可能。随着溶液中蒸汽的产生有用功的，吸附液化，以有利的方式对于电吸附电池取消了电流反应电池的早期物质转换的限制，这样例如液体中微小的氢溶解度和电流电池无能力，将液化热的一部分直接作为反应功获得。因此电吸附反应电池能达到比电流反应电池更高的能量收益和效率。
根据权利要求3的特征组合，在电吸附反应电池中，对于电吸附的反应过程，可以结合一种和蒸汽形成离子的载体气体，例如象氢或者氧，使用任意的，可热解为一种蒸汽组分和一种液态组分的，吸附的液体混合物。
为了改善离子导电性能，需要时可以对个别的三元物质体系添加一种具有可忽略的固有蒸汽压的，在溶剂中溶解的电解质，以此能够用有利的方式降低反应电池的内阻。这种反应电池的结构物质，首先应与所选择的物质体系相匹配。
例如NH3、H2SO4或LiBr或NH3/LiNO3的水溶液就是这样的，可与一种载体气体结合的液体混合物。这些和其他一些溶液，曾被尼贝加尔(Niebergall)在“关于吸附的制冷设备用的工作物质副”中针对它们在低温时的可用性加以研究。这些溶液的低温使用对于热电的能量转换也是有利的，因为由此许多技术过程的放出热量可以被作为没有成本的，可转化的采暖热能的潜力来利用。
按照权利要求5的过程特征，在电吸附反应电池中，介于载体气体蒸汽混合物与吸附的溶液之间起作用的蒸汽分压差，不仅可被提高超过体系总压力和因此超过一次载体气体充入量，而且也可被提高超过循环中进行的，贮存蒸汽的载体气体的循环速度。在仅微量地增高布置于外部物质循环部件中的气体压缩机的功率消耗的情况下，这引起一种有效电压的提高，而电池内部构件不受更多的机械负荷。这个有利的可能性在DE 3302635A1中公开的电流反应电池上同样是不具备的。
在电吸附反应电池内部所进行的绝热过程，导致一种简化电池的设计构造，因为可以放弃电池内部的相应的热传递通道。按照权利要求4的特征，这样的通道对于进行非绝热的过程是必需的。它们被一种热传递介质，尤其是一种同类的溶液流过，该溶液对吸收的溶液和被溶液润湿的电极保持着热接触，并且既可以冷却也可以加热反应电池。
按照权利要求6电吸附反应电池的增加电能收益的任务是以添加一种活化电源来解决的，这种活化电源给电极持久的从外部加上一种准静电的电压差，在此，此电压差尤其能够达到几个伏，并且它叠加到电池的固有电压差上。在自浓缩的溶液的温度降低条件下，它在反应电池内部引起一种吸附的蒸汽液化，在此所加的电压差与温度降低成正比，与溶液的浓缩度成反比，并且在外部负载电阻处减去了电池的电压损失后提供作为工作电压差。用这种措施可以除了在电有用功收益之外也增加了电吸附反应电池的功率密度，并且也进一步提高了热效率。
用权利要求7的特征组合将输向和引自反应电池的物质流形成一种等压的物质循环，这种物质循环运行稳定地准备好电吸附反应电池的物质的电势差别，通过互相独立的输送装置它是可以调节的，并且与已组合的处理组分呈现一种高的热电效率。
如果活化电源的静电电压影响到在电吸附反应电池内部的反应过程，以权利要求8的特征组合，在物质循环的外侧部分的工艺过程的耗费则明显地简化了，并且电吸附反应电池的能量收益增加了。
本发明借助附
图1至7来描述。各图中图1表示一种可通用的，电吸附的膜电解质电池的功能原理和示意结构，它具有一种产生阴离子的三元物质体系SI[O2g，H2Od][OH-EI，E1][LiBraq，O2g]和一种产生阳离子的三元物质体系SII[H2g，NH3d][H3O+EL，E1][NH3aq，H2g]的示例，图2表示一种可通用的电吸附的液体缝隙电池的功能原理和示意结构，它具有一种产生阴离子的，三元物质体系SIII[O2g，H2Od][OH-aq，H2SO4aq][O2g，H2SO4aq]和一种产生阳离子的，三元物质体系SIV[H2g，H2Od][H3O+aq，H2SO4aq][H2SO4aq，H2g]的示例，图3表示在一任意的，产生离子的，三元物质体系的T/ξ和P/ξ，示意图中，一种绝热的电吸附反应电池的循环过程和物质的状态，图4表示按照图3的循环过程具有封闭的，等压物质循环的，电吸附反应电池的功能连接图，图5表示在一示意的T/ξ-和P/ξ-图中的电吸附反应电池的循环过程和物质状态，该反应电池具有静电支持的一种任意的，产生离子的，三元物质体系。
图6表示电吸附反应电池的功能连接图，该反应电池按照图5的循环过程具有静电支持和封闭的等压物质循环，图7示意性地表示具有从属布置的活化电源的电吸附反应电池的电气等效电路图。
对电吸附的膜电解质电池的构造和工作原理，借助于图1的实施例进一步来阐述。
膜电解质电池包括电池壳体(2)，它以一种密封介质的，电流隔离的周圈密封塞(3)被分成第一壳体部分(2.1)和第二壳体部分(2.2)。壳体(2)包含有一种平面状的，多孔的，气体可通过的第一电极(4)和一种平面状的，多孔的，气体和液体可通过的第二电极(5)。在电极面之间二者可选择其一地放入一种选择性地阳离子可通过的或者选择性地阴离子可通过的膜电解质(6)，它与多孔的电极(4，5)形成一种机械稳定的联结。背向着膜电解质(6)的第一电极面(4.2)与第一壳体部分(2.1)形成一种缝隙形状的气体通道(7)，它由一种蒸汽饱和的，产生阳离子的载体气体种类或者由一种蒸汽饱和的，产生阴离子的载体气体种类流过。背向着膜电解质(6)的第二电极面(5.2)与第二壳体部分(2.2)形成一种缝隙形状的液体通道(8)，它由一种欠饱和的，吸收蒸汽的溶液(L)流过。电极(4，5)是经过电流的输入和引出装置(9，10)和一种外部负载电阻(11)电气短接的。示意地表示的电流输入和引出装置(9，10)在图1中是旋转90°布置的。它们在几何形状上是如由燃料电池已知的导电系统那样构造的，以致于它们仅很少地减少了电极的反应表面，并且那些缝隙形状的通道(7，8)的流通不受阻碍。
将一种具有高蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]r，(ZP4)，通过在第一壳体部分(2.1)的孔(12.1，12.2)输送给气体通道(7)，并引出具有降低了蒸汽分压的，减少了的蒸汽饱和的载体气体量[G，D]m，(ZP1)。通过在第二壳体部分(2.2)中的孔(13.1，13.2)将一种具有较小蒸汽浓度的和微小蒸汽分压的欠饱和溶液[L]a，(ZP2)输送给液体通道(8)，并将一种具有增高的蒸汽浓度的和微小蒸汽分压的欠饱和溶液[L]r，(ZP3)的两相混合物[L]r，[G，D]a，(ZP3)以及一种具有同样微小蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]a，(ZP3)引出。
当使用一种产生阳离子的气体种类时，例如氢，和使用一种选择性地使阳离子种类通过的膜电解质(6)时，通过阳极氧化作用在消耗来自气体通道(7)的氢和蒸汽的情况下，在第一电极(4)的相界(4.1)(气/固/电解质)处形成阳离子。这些阳离子通过膜电解质(6)向第二电极(5)迁移，并且在它们的相界(5.2)(气/液/固)处通过阴极还原作用，在释放一当量氢的条件下，将在液体通道(8)中流动的溶液浓缩。在此，电子从第一电极(4)经过导电装置(9，10)和外部负载电阻(11)流向第二电极(5)。
当使用一种产生阴离子的气体种类时，例如氧，和使用一种选择性地使阴离子种类通过的膜电解质(6)时，通过阴极还原作用，在消耗来自气体通道(7)的氧和蒸汽条件下，在第一电极(4)的相界(4.1)(气/固/电解质)处形成阴离子。它们通过膜电解质(6)向第二电极(5)迁移，并且在它们的相界(5.2)(气/液/固)处通过阳极氧化作用，在释放一当量氧的条件下，将在液体通道(8)中流动的溶液浓缩。在此，电子从第二电极(5)经过导电装置(10、9)和外部负载电阻(11)流向第一电极(4)。
用圆圈表征的状态点(从ZP1至ZP4)是从属于按照图1向膜电解质电池输送和引出各液体流的。这些状态点对于各自的液体流表示饱和平衡和通过它们的状态值[P，T，ξL，ξD]定义的。它们与按照图3的循环过程有关。用在反应电池上物质流的局部区域的相互关系得出了膜电解质电池内部的电吸附反应过程的物质的电势差。为此，蒸汽饱和的气体流在横向吸出部分量的条件下，优先地往与溶液流相反的方向，平行于电极平面地被引导通过电池。蒸汽浓度ξD在反应过程期间是不变的。
作为三元物质体系的实例，对于膜电解质电池来说曾选择了一种与氧结合的溴化锂的水溶液作为产生阴离子的反应体系(S1)和一种与氢结合的氨的水溶液作为产生阳离子的反应体系(SII)。在图2中表示了对于液体缝隙电池的两种其它的与氧结合的(SIII)和与氢结合的(SIV)的硫酸水溶液的三元物质体系。在物质体系(SI，SIII和SIV)中，水是蒸发出的混合组分，在物质体系(SII)中是氨。所选出的三元物质体系的实例可应用于两种电池构造形式。电吸附的反应体系为SI 〔O2g，H2Od〕，〔OH-EL，El〕，〔LiBraq，O2g〕(产生阴离子的)SII 〔H2g，NH3d〕，〔NH4+EL，El〕，〔NH3aq，Hi2g〕 (产生阳离子的)SIII〔O2g，H2Od〕，〔OH-aq，H2SO4aq〕，〔H2SO4aq，O2g〕 (产生阴离子的)SIV 〔H2g，H2Od〕，〔H3O+aq，H2SO4aq〕，〔H2SO4aq，H2g〕 (产生阳离子的)电极对和膜电解质(EL)在选择的反应体系中虽然几何上是相同的，相反，在它们的作用方式上和在材料构造上却是不同的。对于体系(SII)进一步阐明其电极反应反应体系(SII)α|(NH3d，H2g)α|NH4+EL，El|(NH3aq，H2g)β|β
阴极反应α阳极反应β电池反应(α+β)物质的电势差静电的电势差.
作为本发明的进一步的发展，借助于图2的实施例更详细地描述一种电吸附液体缝隙电池的结构和工作原理。
液体缝隙电池包括电池壳体(21)，它以一种密封介质的，电流隔离的周圈密封(22)，被分成第一壳体部分(21.1)和第二壳体部分(21.2)。壳体(21)包含一种平面状的，机械稳定的，多孔的，气体可通过的第一电极(23)和一种平面状的，无间隙地靠在第二壳体部分(21.2)上的第二电极(24)。第一壳体部分(21.1)和第一电极(23)的互相相向的平面形成一种缝隙形状的气体通道(25)，它被一种蒸汽饱和的，产生阳离子的载体气体种类或者被一种蒸汽饱和的，产生阴离子的载体气体种类[G，D]流过。互相相向的电极平面形成一种缝隙形状的液体通道(26)，它被一种欠饱和的，吸收蒸汽的，传导离子的溶液[L]流过。电极(23，24)是经过输送和引出电流的系统(27，28)和一种外部负载电阻(29)电气短接的。气体侧的电流导电系统，在几何形状上是如同燃料电池的气体电极构造的，并且在图2中是旋转了90°示意地表示的。
将一种具有高蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]r，(ZP4)通过在第一壳体部分(21.1)中的孔(30.1，30.2)输送给气体通道(25)，并且引出具有降低了蒸汽分压的，减少了的蒸汽饱和的气体载体量[G，D]m，(ZP1)。通过在第二壳体部分(21.2)的孔(31.1，31.2)将一种具有减少了的蒸汽组分浓度的和微小蒸汽分压的欠饱和溶液[L]a，(ZP2)输送给液体通道(26)，并将一种具有增高的蒸汽组分浓度的和微小蒸汽分压的欠饱和溶液[L]r，(ZP3)以及一种具有同样微小蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]a，(ZP3)的两相混合物[ L]r，[G，D]a，(ZP3)引出。
当使用一种产生阳离子的气体种类时，例如氢，通过阳极氧化作用在消耗来自气体通道(25)的氢和蒸汽的情况下，在第一电极(23)的相界(23.2)(气/液/固)处形成阳离子。这些阳离子垂直于溶液流，通过传导离子的液体缝隙(32)向第二电极(24)迁移，并且在它们的相界(24.1)(气/液/固)处通过阴极还原作用，在释放一当量氢的条件下，浓缩在液体通道(26)中流动的溶液。在此，电子从第一电极(23)经过导电系统(27，28)和外部负载电阻(29)流向第二电极(24)。
当使用一种产生阴离子的气体种类时，例如氧，通过阴极还原作用在消耗来自气体通道(25)的氧和蒸汽的情况下，在第一电极(23)的相界(23.2)(气/液/固)处形成阴离子。这些阴离子垂直于溶液流通过传导离子的液体缝隙(32)向第二电极(24)迁移，并且在它们的相界(24.1)(气/液/固)处通过阳极氧化作用，在释放一当量氧的条件下，浓缩在液体通道(26)中流动的溶液。在此，电子从第二电极(24)经过导电系统(27，28)和外部负载电阻(29)流向第一电极(23)。
相同的状态点(ZP1至ZP4)从属于向和从反应电池输送和引出的液体流，如图1。用它们的从属关系，产生在液体缝隙电池内部反应过程的物质的电势差，并且由此产生反应电池的固有电压。蒸汽饱和的气体流为此同样地在横向吸出部分量的条件下，优先在与溶液流相反的方向和平行于电极平面地被引导通过电池。
液体流的状态点(ZP1至ZP4)在物质循环的外部部分中被调定。例如图3示出在两种示意的相互对应的状态图中用一种氨水溶液进行的等压循环过程。此处，作为第三组分的载体气体仅通过体系总压力表现出来，并且此压力在循环过程中是不变的。标出的是各自相对于溶液浓度ξL的蒸汽组分和溶液的饱和温度及饱和压力。同样的循环过程也可用水溶液来实行和表示，这些水溶液形成作为蒸汽组分的水蒸汽，在此，溶液在电吸附反应过程中被稀释。
按照图3的循环过程包含下列状态变化；一种准绝热的溶液分离(ZP4L，ZPD-ZP1L，ZP4D)，在热量输入情况下，一种物质恒定的，内部的，回流换热的热反馈(ZP1L-ZP2′L)/(ZP3L-ZP4L)，在热量输出的情况下一种物质恒定的温度降低(ZP2′L-ZP2L)和在向外部输出功的情况下一种准绝热的，电吸附的原始溶液的再生(ZP4D，ZP2L-ZP3L，ZP1D)。按照图3的循环过程形成用于外部物质循环部分的工艺技术设计基础，如它在图4中所展示的和以下所描述的那样。这种外部物质循环部分的设计是可应用于任意的与一种载体气体结合的，可热分离的溶液。
被加热的，与一种相分离器组合的气体-蒸汽富集器(42)，溶液换热器(43)，溶液冷却器(44)，相分离器(45)，溶液泵(46)和气体压缩机(47)都配备给具有外部负载电阻(41)的反应电池(40)。循环中物质的走向如下从反应电池(40)引出的两相混合物[L]r，[G，D]a，(ZP3)在底板上方被输送给相分离器(45)，并且在其中被分成相[L]r，(ZP3)和[G，D]a，(ZP3)。在相分离器(45)的顶部引出的，蒸汽贫化的气体[G，D]a，(ZP3)被与从反应电池(40)引出的，中等蒸汽贫化的气体[G，D]m，(ZP1)合并，混合物[G，D]x，(ZP-)用气体压缩机(47)在底板上方向气体-蒸汽富集器(42)输送，并且在其中在吸收蒸汽情况下被逆向于已加热的，蒸汽贫化的溶液[L]r，(ZP4)引导。在气体-蒸汽富集器(42)的顶部引出的，蒸汽富集的气体[G，D]r，(ZP4)被重新输送给反应电池(40)。
在底板处从相分离器(45)引出的，蒸汽富集的溶液[L]r，(ZP3)被用溶液泵(46)通过溶液换热器(43)，(ZP4)的二次侧输送，并在顶部引入气体-蒸汽富集器(42)，(ZP4)中。蒸汽贫化的溶液[L]a，(ZP1)被在气体-蒸汽富集器(42)的底板处引出，被引导通过溶液换热器(43)，(ZP2′)的一次侧和通过溶液冷却器(44)，(ZP2)，并且同样输向反应电池(40)。因此，经过物质循环的外部部分，电吸附反应电池的物质供应和排放，在保持物质的电势差情况下得到了保证。
在外部物质循环的工艺过程的组成部件(40至47)上，各自在组成部件的物质进口和出口处对于每个单个的，用它的组成〔-〕标记的物质流，都根据图3给出了划圆圈的状态点(ZP1)至(ZP4)。它们表征在组成部件(40至47)内部的各自物质流的状态变化。在物质循环中的中间状态，如在溶液换热器(43)一次侧的溶液出口(ZP2′)处的状态和在气体循环中(ZP-)的混合流的状态，同样地已被表征。它们对电吸附反应电池的运转特性几乎没有影响。
为了使溶液[L]r蒸发，从外面向气体-蒸汽富集器(42)输入热量，并且在溶液冷却器(44)中在低的温度水平上只从溶液[L]a抽取这样多的热量，使得反应过程在电吸附反应电池(40)内部绝热地进行。电有效功经过外部负载电阻(41)自反应电池(40)中被取出。溶液泵(46)和气体压缩机(47)的驱动功率是微小的，因为两个输送装置是几乎无压差的输送，并且仅仅必须补充全部物质循环的流动压力损失。外部的物质循环在工艺过程的构造上与电吸附反应电池的构造种类无关(图1和图2)。
借助于部分的回流冷凝液可以补充一种接在气体-蒸汽富集器(42)后面的蒸汽净化装置，此补充用在下列情况，这就是当具有溶剂固有蒸汽压的溶液热分离时，在蒸汽饱和的载体气体中含有一种过高的溶剂蒸汽份额，并且虽然从反应电池中不断地排放溶剂蒸汽，这个份额还要阻止在反应电池内部的电吸附反应过程。部分的回流冷凝，可以在使用蒸汽富集溶液[L]r的过量冷却电势条件下，同样地被回流换热地进行。
在图5中表示了用于特殊形式的热电能量转换的一种循环过程。采用电吸附反应过程的外部静电辅助，这种循环过程就变为可能。在这两个相呼应的状态图中，溶液和蒸汽组分的饱和温度和饱和压力是各自相对于溶液浓度标上的，这在图中各表示为三角形过程。载体气体仅通过物质循环的不变的系统总压力重新表现出来，此处Pges＝PD+PG。
作为状态变化的循环过程含有一种溶液的准等热的热分离(ZP3L，ZP1D→ZP3D，ZP1L)，一种在从外部输入热量情况下的物质恒定的溶液加热(ZP2L→ZP3L)和一种在向外部输出功情况下的，由一种等热的物质变化和等熵的物质恒定的温度下降引起的(多变的)电吸附的溶液再生(ZP1L，ZP3D-ZP2L，ZP1D)。
这些状态点又对于所涉及的液态流是平衡状态，并且是通过它们的状态量(P，T，ξL，ξD)定义的。多变的，电吸附反应过程的物质电势差采用在反应电池上液态流的局部区域的相互关系来达到。用外加的静电电极电势的辅助，在提高电池工作电压情况下，迫使吸收蒸汽的溶液冷却。多变的反应电池内部的吸附过程，可以在这种情况下绝热地或者非绝热地进行，并且可被从外部通过静电的，加在电极上的电压差所影响。
由电吸附反应电池的物质的电势差引起的电池固有电压感应引起离子流，并且由此在外部电气回路中感应引起电子流，而叠加在固有电压上的静电电压引起蒸汽饱和溶液的温度下降。从外部加上的静电附加电压，在多变的吸附过程中是与溶液的温度下降成正比和与溶液的浓缩成反比。它可以具有数倍的电池的固有电压值。电池的电有效功的收益与静电附加电压成正比地通过反应电池的工作电压而提高。对实施多变的电吸附反应过程的起动和工作条件，是存在着由物质的电势差引起的反应电池的固有电压。
图5的循环过程形成用于外部物质循环部分的工艺技术上设计的基础，用来准备好未处于平衡中的反应电池的物质供应和排放。图6表示封闭的物质循环，并在下面加以描述。对于具有外部负载电阻(56)和附加联接的静电的活化电源(57)的反应电池(50)，装配了加热的溶液加热器(51)，与一种相分离器组合的气体-蒸汽富集器(52)，相分离器(53)，溶液泵(54)和气体压缩机(55)。在外部循环部分中，一般对于这种三元物质体系适用的物质走向如下自反应电池(50)引出的两相混合物[L]r，[G，D]a，(ZP2)被在底板的上方输入相分离器(53)，并在其中分开为相[L]r，(ZP2)和[G，D]a，(ZP2)。在相分离器(53)的顶部处引出的蒸汽贫化的气体[G，D]a，(ZP2)被与从反应电池(50)引出的，中等蒸汽贫化的气体[G，D]m，(ZP1)合并，并且此混合物[G，D]x，(ZP-)用气体压缩机(55)于底板处输送给气体-蒸汽富集器(52)和在吸收蒸汽的情况下，相反于加热的蒸汽贫化溶液[L]r，(ZP3)的方向输送。在气体-蒸汽富集器(52)的顶部引出的，蒸汽富集的气体[G，D]a，(ZP3)被重新输送给反应电池(50)。
在相分离器(53)的底板处引出的，蒸汽富集的溶液[L]r，(ZP2)用溶液泵(54)被输送通过溶液加热器(51)，(ZP3)和在顶部引入气体-蒸汽富集器(52)中，并且在气体-蒸汽富集器(52)的底板处引出的，蒸汽贫化的溶液[L]a，(ZP1)同样地重新输送给反应电池(50)。由此，经过物质循环的外部部分，电吸附反应电池的物质的供应和排放得到保证。对于这种三元的物质体系，氢作为载体气体与一种氨的水溶液联合，图6的物质循环的各个液态流是作为例子而给出的。
当溶液的浓缩极端小时(ΔξL≤10％)，应考虑到感应产生离子流所必须的，由物质的电势差引起的电池固有电压，同样是很小的。在这种情况下，输送给反应电池的蒸汽贫化的溶液[L]a可以在一种应加装的换热器中，在相对于已冷却的，蒸汽富集的溶液[L]r的逆流中局部地被预先冷却，并且用这种方法可以将物质的电势差和由此将反应电池的固有电压提高。
在需要的情况下可借助于局部的回流冷凝补充蒸汽组分的一种附加净化。按照图6的物质循环的工艺技术的设计，同样地可应用于任意的物质体系。
图7在电气等效电路图中表明，给具有多变的反应过程的电吸附反应电池(60)的电循环配置静电活化电源(62)。活化电源(62)是在电气上与反应电池(60)和负载电阻(61)并联接通的。活化电源(62)包括一种可变的，可调节的直流-电压源(63)和两种将电流限于只有几mA的截止二极管(64，65)。反应电池(60)的电势方向和活化电源(62)的是相同的，同样，反应电池(60)的内阻(66)和负载电阻(61)是相同欧姆值的，在此负载电阻(61)能够与反应电池(60)的内阻(66)相匹配。
如果活化电源(62)断开的话，反应电池(60)根据它的物质的电势差而产生它的低的固有电压，并且工作电流IZ流经负载电阻(61)返回至反应电池(60)。此处工作电压为ΔUeff.＝ΔUst.-Ieff.·RZ。
在已接通的活化电源(62)情况下，工作电流Ieff＝Iz+1/2ID在提高了静电电压份额Uest的电压ΔU0＝ΔUst.-ΔUest.条件下，流经负载电阻(61)，而电池工作电流(IZ-1/2ID)流回反应电池(60)，而二极管的导通电流ID从活化电源(62)来，并且重新向它流去。由此反应电池(60)的工作电压为ΔUeff＝ΔU0-(IZ-1/2ID)·RZ，在此二极管的导通电流ID比IZ小得很多，由此是可忽略不计的。由多变的反应过程的溶液冷却导致提高了静电电压份额Uest的反应电池(60)的电功率。
权利要求
1.用于从吸附的反应功转变为电有用功的，具有输送和引出一种包括蒸汽/载体气体混合物和一种吸收蒸汽的溶液的三元物质体系的电吸附的反应电池(1)，其特征在于，一种电池壳体(2)，它用一种密封介质的，电流隔离的周圈密封塞(3)，被分成第一壳体部分(2.1)和第二壳体部分(2.2)，壳体中包含有一种平面状的，多孔的，气体可通过的第一电极(4)和一种平面状的，多孔的，气体和液体可通过的第二电极(5)，在此，在电极面之间布置有一种选择性地，可让离子通过的膜电解质(6)，它与多孔的电极(4，5)形成一种机械稳定的联结，背向着膜电解质(6)的第一电极面(4.2)与第一壳体部分(2.1)形成一种缝隙形状的气体通道(7)，并且这个通道被一种蒸汽饱和的，产生离子的载体气体种类[G，D]流过，背向着膜电解质(6)的第二电极面(5.2)与第二壳体部分(2.2)形成一种缝隙形状的液体通道(8)，并且这个通道被一种吸收蒸汽的溶液[L]流过，以及电极(4，5)是通过电流的输送和引出系统(9，10)及一种外部负载电阻(11)电气短接的。在此，通过在第一壳体部分(2.1)中的孔(12.1，12.2)向气体通道(7)输送具有高蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]r和引出一种具有减少了蒸汽分压的蒸汽饱和的减少了的载体气体[G，D]m量。通过在第二壳体部分(2.2)中的孔(13.1，13.2)向液体通道(8)输送一种具有较小蒸汽浓度的和微小蒸汽分压的欠饱和溶液[L]a，并且引出一种具有增高的蒸汽浓度和微小蒸汽分压的欠饱和溶液的两相混合物[L]r，[G，D]a以及一种具有同样微小蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体，以致于在使用一种产生阳离子的气体种类和一种选择性地让这种阳离子种类通过的膜电解质(6)时，通过阳极氧化作用在消耗来自气体通道(7)的载体气体和蒸汽的条件下，在第一电极(4)的相界(4.1)(气/固/电解质)处形成阳离子，它们通过膜电解质(6)向第二电极(5)迁移，并且通过阴极还原作用在释放一个当量载体气体的条件下，在它们的相界(5.2)(气/液/固)处使在液体通道(8)中流动的溶液浓缩，而电子从第一电极(4)经过导电系统(9，10)和外部负载电阻(11)流向第二电极(5)，或者在使用一种产生阴离子的气体种类和一种选择性地让这种阴离子种类通过的膜电解质(6)条件下，通过阴极还原作用在消耗来自气体通道(7)的载体气体和蒸汽的情况下，在第一电极(4)的相界(4.1)(气/固/电解质)处形成阴离子，这些阴离子通过膜电解质(6)向第二电极(5)迁移，并且在它们的相界(5.2)(气/液/固)处通过阳极氧化作用在释放一个当量载体气体的情况下，使在液体通道(8)中流动的溶液浓缩，而电子从第二电极(5)经过导电系统(9，10)和外部负载电阻(11)流向第一电极(4)。
2.用于从吸附的反应功转变为电有用功的，具有输送和引出一种包括蒸汽/载体气体混合物和一种吸收蒸汽的溶液的三元物质体系的电吸附反应电池(20)，其特征在于，一种电池壳体(21)，它以一种密封介质的，电流隔离的周圈密封塞(22)，被分成第一壳体部分(21.1)和第二壳体部分(21.2)，它包含有一种平面状的，机械稳定的，多孔的，气体可通过的第一电极(23)和一种平面状的，无间隙地贴靠在第二壳体部分(21.2)的第二电极(24)，在此第一壳体部分(21.1)和第一电极(23)的相互相向的平面形成一种缝隙形状的气体通道(25)，此通道被一种蒸汽饱和的，产生离子的载体气体种类〔G，D〕流过，并且相互相向的电极面形成一种缝隙形状的液体通道(26)，此通道被一种吸收蒸汽的，传导离子的溶液[L]流过，电极(23，24)是经过输送和引出电流的系统(27，28)和一种外部负载电阻(29)电气短接的，在此，通过在第一壳体部分(21.1)中的孔(30.1，30.2)向气体通道(25)输送具有高蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]r和引出一种具有减少了蒸汽分压的，减少了的蒸汽饱和的载体气体[G，D]m量，通过在第二壳体部分(21.2)中的孔(31.1，31.2)向液体通道(26)输送一种具有减少的蒸汽组分浓度的和微小的蒸汽分压的欠饱和溶液[L]a和引出一种具有增高的蒸汽组分浓度的欠饱和溶液的两相混合物[L]r，[G，D]a以及一种具有同样微小蒸汽分压的蒸汽饱和的载体气体[G，D]a，以致于在使用一种产生阳离子的气体种类时，通过阳极氧化作用在消耗来自气体通道(25)的载体气体和蒸汽情况下，在第一电极(23)的相界(23.2)(气/液/固)处形成阳离子，这些阳离子垂直于溶液流，通过传导离子的液体缝隙(32)向第二电极(24)迁移，并且在它的相界(24.1)(气/液/固)处通过阴极还原作用，在释放一个当量载体气体的情况下，使在液体通道(26)中流动的溶液浓缩，而电子从第一电极(23)经过导电系统(27，28)和外部负载电阻(29)流向第二电极(24)，或者在使用一种产生阴离子的气体种类的情况下，通过阴极还原作用，在消耗来自气体通道(25)的载体气体和蒸汽的情况下，在第一电极(23)的相界(23.2)(气/液/固)处形成阴离子，这些阴离子垂直于溶液流，通过传导离子的溶液缝隙(32)向第二电极(24)迁移，并且在它的相界(24.1)(气/液/固)处通过阳极氧化作用，在释放一个当量载体气体的情况下，使在液体通道(26)中流动的液体浓缩，而电子从第二电极(24)经过导电系统(27，28)和外部负载电阻(29)流向第一电极(23)。
3.根据权利要求1或2的电吸附反应电池，其特征在于，除了参与电吸附反应过程的，产生离子的和补偿体系压力的载体气体之外，原则上能够对反应电池输送和引出一种任意的，通过热的途径可分解成一种蒸汽组分和一种液体组分的吸收蒸汽的溶液。在此氢是一种产生阳离子的载体气体种类和氧是一种产生阴离子的载体气体种类，并且总的参与电吸附的反应过程的物质体系至少是一种三元的物质体系，为了提高传导离子的性能，可以向它添加一种具有可忽略不计的固有蒸汽压的在溶剂中可溶解的电解质组分，在此，反应电池的结构物质相对于所选择的物质体系表现为惰性。
4.根据权利要求3的反应电池，其特征在于，在其中进行的电吸附的反应过程是绝热地或者非绝热地进行的，在此，在非绝热的过程控制情况下，接触溶液的电极或者它的导电系统具有均匀地分布于其平面上的，为热传递介质流过的通道，它们的热传递的壁是介质不可通过的。
5.根据权利要求3和4的反应电池，其特征在于，用介质输送装置在循环中引导的物质相量是这样确定的，在电吸附的反应过程中，出现一种保持不变的溶液浓缩或者稀释和一种保持不变的载体气体的蒸汽贫化，在此，体系总压力是通过循环的载体气体充填量被调定的，并且此总压力是与在三元的物质循环中达到的，上蒸汽分压同样高或者高于它。
6.根据权利要求(3，4和5)的反应电池，其特征在于，给各电极配置一种活化电源，该电源持续地对电极加上数伏的准静电的电势差，在此，这个电势差被叠加到电池的固有电压差上。
7.根据权利要求5或者6，具有外部负载电阻(41)的反应电池(40)，其特征在于，对它输送或者引出的物质流，通过附加布置一种加热的、与相分离器组合的气体-蒸汽富集器(42)、一种溶液换热器(43)，一种溶液冷却器(44)，一种相分离器(45)，一种溶液泵(46)和一种气体压缩机(47)来形成具有外部物质热分解的和外部相分离的一种等压，三元的物质循环，在此从反应电池(40)引出的两相混合物[L]r，[G，D]a，在底板上方，向相分离器(45)输送，并且相[L]r和[G，D]a被分开，在相分离器(45)的顶部引出的，蒸汽贫化的气体[G，D]a与从反应电池引出的，中等蒸汽贫化的气体[G，D]m合并，并且将混合物[G，D]x用气体压缩机(47)在底板处输送给气体-蒸汽富集器(42)，和在此富集器中在吸收蒸汽情况下，与已加热的蒸汽贫化的溶液相反方向引导的，并且在气体-蒸汽富集器(42)的顶部引出的，蒸汽富集的气体[G，D]r重新被输送给反应电池(40)，而在底板处从相分离器(45)引出的，蒸汽富集的溶液[L]r用溶液泵(46)通过溶液换热器(43)(41)的二次侧输送，在顶部被送入气体-蒸汽富集器(42)中，并且蒸汽贫化的溶液[L]a在气体-蒸汽富集器(42)的底板处被引出，被引导通过溶液换热器(43)的一次侧和通过溶液冷却器(44)，重新输送给反应电池(40)。
8.根据权利要求5或6具有外部负载电阻(56)和附加连接的活化电源(57)的反应电池(50)，其特征在于，对它输送或引出的物质流通过附加布置一种已加热的溶液加热器(51)、一种与相分离器组合的气体-蒸汽富集器(52)、一种相分离器(53)，一种溶液泵(54)和一种气体压缩机(55)来形成一种具有外部的物质热分解和外部的相分离的，等压的三元物质循环，在此从反应电池(50)引出的两相混合物[L]r，[G，D]a在底板上方，向相分离器(53)输送，并且相[L]r和[G，D]a被分开，在相分离器(53)的顶部引出的蒸汽贫化的气体[G，D]a与从反应电池引出的，中等蒸汽贫化的气体[G，D]m合并，并且将混合物[G，D]x用气体压缩机(55)在底板处输送给气体-蒸汽富集器(52)和在此富集器中在吸收蒸汽情况下，与已加热的蒸汽贫化的溶液[L]r相反的方向被引导，并且在气体-蒸汽富集器(52)的顶部引出的，蒸汽富集的气体[G，D]r重新被输送给反应电池(50)，而在相分离器(53)的底板处引出的，蒸汽富集的溶液[L]r用溶液泵(54)通过溶液加热器(51)输送，在顶部被送入气体-蒸汽富集器(52)，并且在气体-蒸汽富集器(52)的底板处引出的蒸汽贫化的溶液[L]a重新被输送给反应电池(50)。
全文摘要
本发明涉及一种具有封闭的物质循环的电吸附反应电池,它用于将低温热、特别是将余热转变成电有用功。反应电池和所属的等压物质循环得到描述。用一种叠加在电池固有电压上的静电的辅助电压多变地完成在电池内部的电吸附的反应过程。以这种方式,不仅是自由反应功,而且在冷却反应体系的情况下物质结合的反应功也能够从反应体系取出。电吸附反应电池的电能收益和功率密度由此提高了数倍。
文档编号H01M8/18GK1180449SQ96193092
公开日1998年4月29日 申请日期1996年2月6日 优先权日1996年2月6日
发明者彼得·文兹 申请人:彼得·文兹