Гальваносорбционный реакционный элемент

 

Изобретение относится к гальваносорбционному реакционному элементу с замкнутым кругооборотом веществ для преобразования низкотемпературного тепла, предпочтительно, тепловых отходов в полезную электрическую работу. Согласно изобретению гальваносорбционный процесс внутри элемента осуществляется с помощью электростатического вспомогательного напряжения, которое накладывают на собственное напряжение элемента. Процесс проводят политропно. Таким способом из реакционной системы извлекают не только свободную, но и связанную с веществом энергию при охлаждении реакционной системы. Техническим результатом изобретения является увеличенный съем электрической энергии и мощности с гальваносорбционного реакционного элемента. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к гальваносорбционному реакционному элементу для преобразования сорбционной реакционной работы в электрическую полезную работу, при этом к реакционному элементу подводят и отводят от него тройную систему веществ, состоящую из смеси несущий газ/пар и абсорбирующего пар раствора, а также к созданию из подводимых и отводимых потоков вещества изобарного кругооборота веществ с термическим разложением раствора и выделением компонентов раствора за пределами реакционного элемента.

Гальванический реакционный элемент видоизмененного типа с водородом и водным раствором аммиака в изобарном кругообороте веществ с производимым вне реакционного элемента термическим разложением раствора и обратного превращения в жидкость испарившихся компонентов раствора известен из DE 3302635 A1. Как выполнение гальванического реакционного элемента, так и выполнение изобарного кругооборота веществ имеют недостатки для механизма гальванической реакции элемента и для его режима работы.

С одной стороны, подводимый со стороны катода в реакционный элемент сжиженный аммиак содержит остатки воды, которая во время работы элемента приводит к постоянному разбавлению водой жидкого аммиака в реакционном элементе и поэтому после короткого времени вызывает остановку работы, потому что отсутствует постоянный отвод заводненного аммиака из элемента. С другой стороны, недозированный кругооборот веществ приводит к нестационарности параметров элемента по мощности и напряжению. Кроме того, метод оставления тепла, выделяемого при переводе аммиака в жидкое состояние, в кругообороте веществ для повышения теплового коэффициента полезного действия термогальванического преобразования энергии основывается на признаках способа, которые не допускают обратного извлечения тепла, полученного при превращении в жидкость, например при сжижении перегретого аммиачного пара при температуре выше температуры насыщения.

Кроме того, из-за низкой растворимости газообразного водорода в жидком аммиаке лишь ограниченно возможен стехиометрический подвод реактивов в зону реакции катода, что сдерживающе сказывается на расходе веществ и тем самым на съеме энергии. Дополнительное уменьшение съема энергии обуславливает снижение парциального давления пара вследствие изобарного смешивания водорода и жидкого аммиака внутри реакционного элемента.

Принципиально иной реакционный элемент с замкнутым изобарным кругооборотом веществ известен из DE-OS 1596143 и DE-OS 1599153. В качестве системы веществ используют водный раствор галогеноводорода, который электролитическим способом, т.е. с подводом электрической энергии, парциально разлагают на элементарный водород и соответствующий жидкий галоген, при этом продукты рекомбинации снова подводят к рекомбинационному элементу и с выделением электрической энергии переводят в исходный водный раствор. При этом конечное количество окружающего тепла, которое в конечном счете результируется из разницы полезных напряжений обеих стадий процесса, должно преобразовываться в полезную электрическую энергию. Внутри рекомбинационного элемента используют работу химической реакции, но не работу реакции сорбции, которая в раскрытом рекомбинационном элементе теряется и которую поэтому необходимо подводить в качестве дополнительной электрической энергии для электролитического разделения.

При этом за основу приняты идеальные величины напряжения разложения и рекомбинации системы веществ, которые, как известно, представляют собой равновесные значения и, следовательно, не связаны с переносом вещества в одном из направлений реакции. Как только создается заметный перенос вещества, то значения напряжения обеих стадий реакции становятся равными, за счет чего снижается заявленный выигрыш в работе. Кроме того, потеря работы реакции сорбции уменьшает выигрыш в работе, так что техническое применение этого эффекта не сулит результата.

Далее, в ЕР 0531293 раскрыт способ для преобразования работы реакции сорбции в электрическую работу с замкнутым тройным кругооборотом веществ с применением несущего газа и термически разлагаемого, сорбционно действующего водного раствора, при этом преобразование энергии должно происходить в гальваносорбционном реакционном элементе, а термическое разложение раствора и отделение компонентов раствора наоборот вне реакционного элемента. Дальнейшие гальваносорбционные и электрохимические процессы преобразования энергии известны из EP-OS 91917497. Оба источника не раскрывают ни конструкцию этого нового гальваносорбционного реакционного элемента, ни проходящего внутри элемента и оказывающего влияние на конструкцию механизма реакции, так что отсутствует существенная предпосылка для технического использования этого принципа.

Поэтому задачей изобретения является принципиальное конструктивное оформление технически применимого гальваносорбционного реакционного элемента для преобразования работы сорбционной реакции в электрическую полезную работу с учетом механизма происходящих внутри элемента в процессе сорбции реакций. Другой задачей изобретения является создание из подводимых и отводимых потоков веществ стабильного в работе, управляемого изобарного кругооборота веществ с высоким коэффициентом полезного действия процесса с исключением указанных ранее недостатков гальванического реакционного элемента. Следующей задачей изобретения является увеличение съема электрической энергии в таком гальваносорбционном реакционном элементе сверх получаемого при превращении веществ за счет использования содержащегося в подводимых потоках веществ латентного и сенсибельного тепла.

Задача технически применимого принципиального конструктивного оформления гальваносорбционного реакционного элемента решается посредством способа (по п. 1) для элемента с мембранным электролитом, а именно способа преобразования работы сорбционной реакции в электрическую полезную работу посредством гальванического реакционного элемента с мембранным электролитом, к которому подводят и от которого отводят тройную систему веществ, состоящую из смеси пар/несущий газ и адсорбирующего пар раствора, и который состоит из корпуса элемента, который содержит плоский, пористый, прозрачный для газа первый электрод и плоский, пористый, прозрачный для газа и жидкости второй электрод и который с помощью не пропускающего рабочую среду, гальванически разъединяющего окружного затвора разделен на первую часть корпуса и вторую часть корпуса, в котором между поверхностями электродов расположен селективно прозрачный для ионов мембранный электролит, который вместе с пористыми электродами образует механически стабильное соединение, при котором через образованный обращенной от мембранного электролита поверхностью первого электрода и первой частью корпуса щелевидный газовый канал пропускают насыщенный паром, генерирующий паровым компонентом ионы несущий газ, причем через образованный обращенной от мембранного электролита поверхностью второго электрода и второй частью корпуса щелевидный жидкостный канал пропускают абсорбирующий пар раствор, и электроды электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки, и при котором в газовый канал через отверстия в первой части корпуса подводят насыщенный паром несущий газ с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа с уменьшенным парциальным давлением пара, а в жидкостный канал через отверстия во второй части корпуса подводят недонасыщенный раствор с незначительной концентрацией пара и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь недонасыщенного раствора с увеличенной концентрацией пара и небольшим парциальным давлением пара, а также насыщенного паром несущего газа с тем же небольшим парциальным давлением пара, так что при применении генерирующего паровым компонентом катионы несущего газа и селективно пропускающего этот вид катионов мембранного электролита за счет анодного окисления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз (газ/твердое тело/электролит) первого электрода образуются катионы, которые проходят через мембранный электролит на второй электрод и на его границе фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут с первого электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки ко второму электроду, или в котором при применении генерирующего паровым компонентом анионы несущего газа и селективно пропускающего этот вид анионов мембранного электролита за счет катодного восстановления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз (газ/твердое тело/электролит) первого электрода образуются анионы, которые проходят через мембранный электролит на второй электрод и на его границе фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут со второго электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки к первому электроду, а также посредством способа (по п. 9) для элемента с жидкостным зазором, а именно способа преобразования работы сорбционной реакции в электрическую полезную работу посредством гальванического реакционного элемента с жидким электролитом, к которому подводят и от которого отводят тройную систему веществ, состоящую из смеси пар/несущий газ и адсорбирующего пар раствора, и который состоит из корпуса элемента, который содержит плоский, пористый, прозрачный для газа первый электрод и плоский, без зазора прилегающий ко второй части корпуса второй электрод и который с помощью не пропускающего рабочую среду, гальванически разъединяющего окружного затвора разделен на первую часть корпуса и вторую часть корпуса, при котором через образованный обращенными друг к другу поверхностями первой части корпуса и первого электрода щелевидный газовый канал пропускают насыщенный паром, генерирующий паровым компонентом ионы несущий газ, причем через образованный обращенными друг к другу поверхностями электродов щелевидный жидкостный канал пропускают абсорбирующий пар, проводящий ионы раствор, и электроды электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки, и при котором в газовый канал через отверстия в первой части корпуса подводят насыщенный паром несущий газ с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа с уменьшенным парциальным давлением пара, а в жидкостный канал через отверстия во второй части корпуса подводят недонасыщенный раствор с уменьшенной концентрацией парового компонента и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь недонасыщенного раствора с увеличенной концентрацией парового компонента, а также насыщенного паром несущего газа с тем же небольшим парциальным давлением пара, так что при применении генерирующего паровым компонентом катионы несущего газа за счет анодного окисления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз (газ/жидкость/твердое тело) первого электрода образуются катионы, которые проходят поперек потока раствора через проводящий ионы жидкостный зазор на второй электрод и на его границе фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут с первого электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки ко второму электроду, или при котором при применении генерирующего паровым компонентом анионы несущего газа за счет катодного восстановления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз (газ/твердое тело/твердое тело) первого электрода образуются анионы, которые проходят поперек потока раствора через проводящий ионы жидкостный зазор на второй электрод и на его границе фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут со второго электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки к первому электроду, причем обе конфигурации элемента, по п. 1 и п. 9, без геометрических изменений позволяют осуществить механизм как генерирующей анионы, так и генерирующей катионы реакции. За счет генерирующего полезную работу сорбционного сжижения пара в растворе преимущественным способом предотвращают преждевременные ограничения преобразования веществ гальванического реакционного элемента для гальваносорбционного элемента, как например незначительную растворимость водорода в жидкостях и неспособность гальванического элемента использовать теплоту сжижения непосредственно в качестве работы реакции. За счет этого гальваносорбционные реакционные элементы обладают более высоким съемом энергии и коэффициентом полезного действия, чем гальванические реакционные элементы.

Согласно пп. 2 и 10 к гальваническому реакционному элементу наряду с участвующим в процессе гальваносорбционной реакции генерирующим паровым компонентом ионы и выравнивающим давление системы несущим газом подводят и отводят от него любой абсорбирующий пар раствор, разлагаемый термическим способом на паровой компонент и жидкий компонент, причем водород является генерирующим паровым компонентом катионы газом, а кислород - генерирующим паровым компонентом анионы газом, и участвующая в целом в процессе гальваносорбционной реакции система веществ является по меньшей мере тройной системой, причем структурные материалы реакционного элемента являются инертными по отношению к выбранной системе веществ; благодаря этому в гальваносорбционных реакционных элементах возможно применять для процесса гальваносорбционной реакции любые, термически разлагаемые на компоненты в виде пара и жидкости, сорбционные жидкие смеси в комбинации с образующим совместно с паром ионы несущим газом, например водородом или кислородом.

В индивидуальную тройную систему веществ можно при необходимости добавлять растворимый в растворителе электролит с пренебрежимо малым собственным давлением пара для повышения ионной проводимости, за счет чего преимущественным способом снижают внутреннее сопротивление реакционного элемента. Однако структурные материалы этого реакционного элемента необходимо согласовать с выбранной системой веществ.

Такими комбинируемыми с несущим газом жидкими смесями являются, например, водные растворы NH3, H2SO2 или LiBr или раствор NH3/LiNO3. Эти и другие растворы исследованы Нибергаллом в работе "Пары рабочих веществ для абсорбционных холодильных установок" в отношении их применимости при низких температурах. Низкотемпературное применение этих растворов имеет преимущества также для термогальванического преобразования энергии, так как тем самым можно использовать тепловые отходы многих технических процессов в качестве бесплатного, преобразуемого потенциала энергии нагревания.

Благодаря тому что в тройную систему веществ добавляют повышающий ионную проводимость, растворимый в растворяющем средстве электролитический компонент с пренебрежимо малым собственным давлением пара, можно повысить разницу парциального давления пара, действующего в гальваносорбционном реакционном элементе между смесью несущий газ - пар и сорбционным раствором, не только посредством общего давления системы и тем самым за счет разового наполнения несущим газом, но и за счет скорости обращения циркулирующего в кругообороте, накапливающего пар несущего газа. Это приводит к повышению полезного напряжения без увеличения механической нагрузки на внутреннюю конструкцию элемента при несущественно большем потреблении мощности расположенным во внешней части кругооборота веществ газовым компрессором. Такую предпочтительную возможность также не обеспечивает раскрытый в DE 3302635 A1 гальванический реакционный элемент.

Адиабатическое протекание процесса внутри гальваносорбционного реакционного элемента позволяет использовать простую конструкцию элемента, так как можно отказаться от соответствующих каналов переноса тепла внутри элемента. В варианте выполнения, когда протекающий в реакционном элементе процесс гальваносорбционной реакции проводят адиабатически или неадиабатически, причем в случае неадиабатического проведения процесса применяют соприкасающийся с раствором электрод, который или токопроводящая система которого имеет равномерно распределенные по его поверхности, пропускающие переносящую тепло рабочую среду каналы, стенки которых пропускают тепло, но не прозрачны для рабочей среды, такие каналы необходимы для неадиабатического протекания процесса. Через них протекает теплопередающая среда, предпочтительно аналогичный раствор, который поддерживает тепловой контакт с абсорбирующим раствором и со смачиваемым раствором электродом и может как охлаждать, так и нагревать реакционный элемент.

Задача увеличения съема электрической энергии в гальваносорбционном реакционном элементе решается путем добавления активирующего источника, который постоянно создает на электродах извне квазиэлектростатическую разницу напряжений, причем она может предпочтительно составлять несколько вольт и накладываться на собственную разницу напряжений элемента. Она вызывает внутри реакционного элемента сорбционное сжижение пара при снижении температуры становящегося более концентрированным раствора, при этом приложенная разница напряжений пропорциональна понижению температуры и обратно пропорциональна повышению концентрации раствора и присутствует на внешнем сопротивлении нагрузки в качестве рабочей разницы напряжений с вычетом потерь напряжения в элементе. За счет этой меры наряду со съемом полезной электрической работы увеличивается также плотность мощности гальваносорбционного реакционного элемента и тепловой коэффициент полезного действия.

В варианте предпочтительно из подводимых к гальваническому реакционному элементу с внешним сопротивлением нагрузки и отводимых от него потоков веществ создают изобарный тройной кругооборот веществ с внешним термическим разложением веществ и внешним разделением фаз с помощью введения в кругооборот подогреваемого, комбинированного с сепаратором фаз обогатителя газа паром, рекуператора раствора, охладителя раствора, сепаратор фаз, насоса для раствора и газового компрессора, при этом отводимую из реакционного элемента двухфазовую смесь подводят над дном в сепаратор фаз и разделяют в нем фазы, а газ с уменьшенным содержанием пара, отводимый от верхней части сепаратора фаз, соединяют с отведенным от реакционного элемента газом со среднеуменьшенным содержанием пара, и эту смесь с помощью газового компрессора подводят ко дну обогатителя газа паром и проводят в нем, с поглощением пара, навстречу подогретому, отдающему пар раствору, а отводимый от верхней части обогатителя газа паром обогащенный паром газ подводят снова к реакционному элементу, в то время как отводимый со дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через вторичную сторону рекуператора раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, и обедненный паром раствор отводят от дна обогатителя газа паром, пропускают через первичную сторону рекуператора раствора и через охладитель раствора и подводят снова к реакционному элементу; благодаря этому подводимые и отводимые потоки веществ реакционного элемента образуют изобарный кругооборот веществ, который устойчиво обеспечивает разницу потенциалов веществ реакционного элемента, который регулируем с помощью независимых друг от друга транспортирующих устройств и с помощью комбинированных составляющих способа имеет высокий термогальванический коэффициент полезного действия.

Если на ход реакции внутри гальваносорбционного реакционного элемента влияет электростатическое напряжение активирующего источника, то отводимый от дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через подогреватель раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, а отведенный от дна обогатителя газа паром обедненный паром раствор подводят снова к реакционному элементу, и при таком выполнении изобретения значительно сокращают технологические затраты во внешней части кругооборота веществ и повышают съем энергии с гальваносорбционного реакционного элемента.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, которые показывают: фиг. 1 - принцип действия и схематическую конструкцию универсально применимого гальваносорбционного элемента с мембранным электролитом с приведенной в качестве примера генерирующей анионы тройной системой веществ SI: [O2g, H2Od] [OH-EH, E1] [LiBraq, O2g] и генерирующей катионы тройной системой веществ SII: [H2g, NH3d] [H3O+EL, El] [NH3aq, H2g]; фиг. 2 - принцип действия и схематическую конструкцию универсально применимого гальваносорбционного элемента с жидкостным зазором с приведенной в качестве примера генерирующей анионы тройной системой веществ SIII: [O2g, H2Od] [OH-aq, H2SO4aq] [O2g, H2SOaq] и генерирующей катионы тройной системой веществ SIV: [H2g, H2Od] [H3O+aq, H2SO4aq] [H2SO4aq, H2g]; фиг. 3 - цикличный процесс и состояние веществ адиабатического гальваносорбционного реакционного элемента на схематичной диаграмме T/-P/ для произвольной генерирующей ионы тройной системы веществ; фиг. 4 - функциональную схему гальваносорбционного реакционного элемента с замкнутым, изобарным кругооборотом веществ согласно циклическому процессу по фиг. 3; фиг. 5 - цикличный процесс и состояние веществ гальваносорбционного реакционного элемента с электростатической поддержкой на схематичной диаграмме T/-P/ для произвольной генерирующей ионы тройной системы веществ; фиг. 6 - функциональную схему гальваносорбционного реакционного элемента с электростатической поддержкой и замкнутым, изобарным кругооборотом веществ согласно циклическому процессу по фиг. 5; фиг. 7 - электрическую эквивалентную схему гальваносорбционного реакционного элемента с добавленным активирующим источником.

Конструкция и принцип действия гальваносорбционного элемента с мембранным электролитом поясняется подробнее с помощью примера выполнения согласно фиг. 1.

Элемент с мембранным электролитом состоит из корпуса 2 элемента, который с помощью не пропускающего рабочую среду, гальванически разъединяющего окружного затвора 3 разделен на первую часть 2.1 корпуса и вторую часть 2.2 корпуса. Корпус 2 содержит плоский, пористый, прозрачный для газа первый электрод 4 и плоский, пористый, прозрачный для газа и жидкости второй электрод 5. Между поверхностями электродов расположен либо селективно прозрачный для катионов, либо селективно прозрачный для анионов мембранный электролит 6, который вместе с пористыми электродами 4, 5 образует механически стабильное соединение. Обращенная от мембранного электролита 6 поверхность 4.2 первого электрода образует вместе с первой частью 2.1 корпуса щелевидный газовый канал 7, через который пропускают насыщенный паром, генерирующий катионы несущий газ или насыщенный паром, генерирующий анионы несущий газ. Обращенная от мембранного электролита 6 поверхность 5.2 второго электрода образует вместе со второй частью 2.1 корпуса щелевидный жидкостный канал 8, через который пропускают недонасыщенный, абсорбирующий пар раствор [L]. Электроды 4, 5 электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток устройства 9, 10 и внешнее сопротивление нагрузки 11. Показанные схематично на фиг. 6 подводящие и отводящие ток устройства 9, 10 изображены повернутыми на 90o. Геометрически они выполнены как известные по топливным элементам направляющие системы, так что они лишь незначительно сокращают реакционные поверхности электродов и не препятствуют сквозному потоку через щелевидные каналы 7, 8.

В газовый канал 7 через отверстия 12.1, 12.2 в первой части 2.1 корпуса подводят насыщенный паром несущий газ [G, D]m (ZP1) с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа [G, D] m (ZP1) с уменьшенным парциальным давлением пара. В жидкостный канал 8 через отверстия 13.1. 13.2 во второй части 2.2 корпуса подводят недонасыщенный раствор [L] a (ZP2) с незначительной концентрацией пара и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь [L]r, [G,D]a (ZP3) недонасыщенного раствора [L]r (ZP3) с увеличенной концентрацией пара и небольшим парциальным давлением пара и насыщенного паром несущего газа [GD]a (ZP3) с тем же небольшим парциальным давлением пара.

При применении генерирующего катионы газа, например водорода? и селективно пропускающего этот вид катионов мембранного электролита 6 за счет анодного окисления при поглощении водорода и пара из газового канала 7 на границе 4.1 фаз (газ/твердое тело/электролит) первого электрода 4 образуются катионы. Они проходят через мембранный электролит 6 на второй электрод 5 и повышают на его границе 5.2 фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества водорода концентрацию протекающего через жидкостный канал 8 раствора. При этом электроны текут с первого электрода 4 через проводящие устройства 9, 10 и внешнее сопротивление нагрузки 11 ко второму электроду 5. При применении генерирующего анионы газа, например кислорода, и селективно пропускающего этот вид анионов мембранного электролита 6 за счет катодного восстановления при поглощении кислорода и пара из газового канала 7 на границе 4.1 фаз (газ/твердое тело/электролит) первого электрода 4 образуются анионы. Они проходят через мембранный электролит 6 на второй электрод 5 и повышают на его границе 5.2 фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества кислорода концентрацию протекающего через жидкостный канал 8 раствора. При этом электроны текут со второго электрода 5 через проводящие ток устройства 10, 9 и внешнее сопротивление нагрузки 11 к первому электроду 4.

Подводимым и отводимым от элемента с мембранным электролитом жидким потокам приданы обозначенные кружками точки состояния (ZP1 -ZP4), которые представляют для соответствующих жидких потоков равновестном состоянии насыщения и определяются величинами их состояния [P, T, L, D]. Они относятся к цикличному процессу по фиг. 3. За счет пространственного распределения потоков веществ по реакционному элементу образуется разница потенциалов веществ хода гальваносорбционной реакции внутри элемента с мембранным электролитом. Для этого насыщенный паром поток газа при поперечном отсосе частичного количества пропускают через элемент предпочтительно в противоположном по отношению к потоку раствора направлении, параллельно поверхностям электродов. Концентрация газа D в течение реакции остается постоянной.

В качестве примеров тройных систем веществ для элемента с мембранным электролитом выбраны водный раствор бромида лития в комбинации с кислородом в качестве генерирующей анионы реакционной системы (SI) и водный раствор аммиака в комбинации с водородом в качестве генерирующей катионы реакционной системы (SII). Две другие тройные системы веществ из водной серной кислоты в комбинации с кислородом (SIII) и в комбинации с водородом (SIV) показаны на фиг. 2 для элемента с жидкостным зазором. В системах веществ (SI, SIII и SIV) испаряющейся компонентой смеси является вода, а в системе веществ (SII) - аммиак. Выбранные примеры тройных систем веществ применимы для обоих видов элемента. Гальваносорбционные реакционные системы представляют собой: SI: [O2g, H2Od], [OH-EL, EL], [LiBraq, O2g] (генерирует анионы), SII: [H2g, NH3d], [NH4+EL, El], [NH3aq, H2g] (генерирует катионы),
SIII: [O2, H2Od], [OH-aq, H2SO4aq], [H2SO4aq, O2g] (генерирует анионы),
SIV: [H2g, H2Od], [H3O+aq, H2SO4aq], [H2SO4aq, [H2g] (генерирует катионы).

Хотя электродные пары и мембранные электролиты [El] в выбранных реакционных системах геометрически одинаковы, однако по принципу их действия и по материалу они различны.

Приводим подробно электродные реакции для системы веществ (SII):
Реакционная системами

Катодная реакция
:e+NH+4EL= (NHd3+1/2Hg2)
Анодная реакция
:(NHa3q+1/2Hg2)= NH+4EL+e
Реакция элемента
(+):e+(NHa3q+1/2Hg2)= (NHd3+1/2Hg2)+e
Разница потенциалов веществ

Разница электростатических потенциалов

В качестве другого варианта выполнения изобретения ниже с помощью примера выполнения по фиг. 2 поясняются конструкция и принцип действия гальваносорбционного элемента с жидкостным зазором.

Элемент с жидкостным зазором состоит из корпуса 21 элемента, который с помощью не пропускающего рабочую среду гальванически разъединяющего окружного затвора 22 разделен на первую часть 21.1 корпуса и вторую часть 21.2 корпуса. Корпус 21 содержит плоский, пористый, прозрачный для газа первый электрод 23 и плоский, прилегающий без зазора ко второй части 21.1 корпуса второй электрод 24. Обращенные друг к другу поверхности первой части 21.1 корпуса и первого электрода 23 образует щелевидный газовый канал 25, через который пропускают насыщенный паром, генерирующий катионы несущий газ или насыщенный паром, генерирующий анионы несущий газ [G, D]. Обращенные друг к другу поверхности электродов образуют щелевидный жидкостный канал 26, через который пропускают недонасыщенный абсорбирующий пар, проводящий ионы раствор [L] . Электроды 23, 24 электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток системы 27, 28 и внешнее сопротивление нагрузки 29. Расположенная со стороны газа подводящая и отводящая ток система выполнена геометрически как газовые электроды топливных элементов и показана схематично на фиг. 2 повернутой на 90o.

В газовый канал 25 через отверстия 30.1, 30.2 в первой части 21.1 корпуса подводят насыщенный паром несущий газ [G, D]r (ZP4) с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа [G, D]m (ZP1) с уменьшенным парциальным давлением пара. В жидкостный канал 26 через отверстия 31.1, 31.2 во второй части 21.2 корпуса подводят недонасыщенный раствор [L]a (ZP2) с уменьшенной концентрацией пара и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь [L]r, [G,D]a (ZP3) недонасыщенного раствора [L]r (ZP3) с увеличенной концентрацией пара и небольшим парциальным давлением пара и насыщенного паром несущего газа [G,D]a (ZP3) с тем же небольшим парциальным давлением пара.

При применении генерирующего катионы газа, например водорода, за счет анодного окисления при поглощении водорода и пара из газового канала 25 на границе 23.2 фаз (газ/жидкость/твердое тело) первого электрода 23 образуются катионы. Они проходят поперек потока раствора через проводящий ионы жидкостный зазор 32 на второй электрод 24 и повышают на его границе 24.1 фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества водорода концентрацию протекающего через жидкостный канал 26 раствора. При этом электроны текут с первого электрода 23 через проводящую ток систему 27, 28 и внешнее сопротивление нагрузки 29 ко второму электроду 24. При применении генерирующего анионы газа, например кислорода, за счет катодного восстановления при поглощении кислорода и пара из газового канала 25 на границе 23.2 фаз (газ/жидкость/твердое тело) первого электрода 23 образуются анионы. Они проходят поперек потока раствора через проводящий ионы щелевидный зазор 32 на второй электрод 24 и повышают на его границе 24.1 фаз (газ/жидкость/твердое тело) за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества кислорода концентрацию протекающего через жидкостный канал 26 раствора. При этом электроны текут со второго электрода 24 через проводящую ток систему 27, 28 и внешнее сопротивление нагрузки 29 к первому электроду 23.

Подводимым и отводимым от элемента жидким потокам приданы те же точки состояния (ZP1 - ZP4), что и на фиг. 1. Их корреляция образует разницу потенциалов веществ хода реакции внутри элемента с жидкостным зазором и тем самым собственное напряжение реакционного элемента. Для этого насыщенный паром поток газа при поперечном отсосе частичного количества также пропускают через элемент предпочтительно в противоположном по отношению к потоку раствора направлении, параллельно поверхностям электродов.

Точки состояния (ZP1 - ZP4) жидких потоков устанавливают во внешних частях кругооборота веществ. На фиг. 3 показан в качестве примера в двух схематичных, взаимосвязанных диаграммах состояния изобарный цикличный процесс водного раствора аммиака. При этом несущий газ в качестве третьего компонента проявляется только в общем давлении системы, а оно в цикличном процессе постоянно. Изображены значения температуры насыщения и давления насыщения парового компонента и раствора в зависимости от концентрации раствора L. Аналогичные цикличные процессы можно выполнять и изображать также для водных растворов, которые образуют водный пар в качестве парового компонента, при этом растворы в процессе гальваносорбционной реакции уменьшают свою концентрацию.

Цикличный процесс по фиг. 3 содержит следующие изменения состояния: квазиизотермическое разделение раствора (ZP4L, ZPD ---> ZP1L, ZP4D) при подводе тепла, постоянный по количеству вещества внутренний рекуперативный возврат тепла (ZP1L ---> ZP2'L)/(ZP3L ---> ZP4L), постоянное по количеству вещества снижение температуры (ZP2'L ---> ZP2L) с выделением тепла и квазиизотермическое, гальваносорбционное восстановление исходного раствора (ZP4D, ZP2L ---> ZP1D) с отдачей наружу работы. Цикличный процесс по фиг. 3 образует основу для выполнения внешней части кругооборота веществ, показанного на фиг. 4 и описанного ниже. Такое выполнение внешней части кругооборота веществ применимо к любым термически разделимым растворам в комбинации с несущим газом.

Реакционный элемент 40 с внешним сопротивлением нагрузки 41 снабжен извне подогреваемым обогатителем 42 газа паром, комбинированным с сепаратором фаз, рекуператором раствора 43, охладителем раствора 44, сепаратором фаз 45, насосом 46 для раствора и газовым компрессором 47.

Кругооборот веществ состоит в следующем.

Отводимую из реакционного элемента 40 двухфазовую смесь [L]r, [G,D]a (ZP3) подводят сверх дна сепаратора фаз 45 и разделяют в нем фазы [L]r (ZP3) и [G,D]a (ZP3). Отводимый с головки сепаратора фаз 45 газ [G,D]a (ZP3) с уменьшенным содержанием пара соединяют с отведенным от реакционного элемента 40 газом [G, D]m (ZP1) со среднеуменьшенным содержанием пара, смесь [G,D]x (ZP-) с помощью газового компрессора 47 подводят сверх дна к обогатителю 42 газа паром и проводят в нем с поглощением пара навстречу подогретому, отдающему пар раствору [L]r (ZP4). Отводимый с головки обогатителя 42 газа паром обогащенный паром газ [G,D]r (ZP4) подводят снова к реакционному элементу.

Отводимый со дна сепаратора фаз 45 обогащенный паром раствор [L]r (ZP3) с помощью насоса 46 для раствора транспортируют через вторичную сторону рекуператора 43 раствора (ZP4) и подают в головку обогатителя 42 газа паром (ZP4). Обедненный паром раствор [L]a (ZP1) отводят со дна обогатителя 42 газа паром, пропускают через первичную сторону рекуператора 43 раствора (ZP'2) и через охладитель 44 раствора (ZP2) и подводят также к реакционному элементу 40. Тем самым через внешнюю часть кругооборота веществ обеспечивают снабжение веществами и отвод веществ от гальваносорбционного реакционного элемента при сохранении разницы потенциалов веществ.

На всех технических устройствах 40 - 47 внешней части кругооборота веществ на входе и выходе вещества для каждого отдельного потока вещества, характеризуемого его составом [-], указаны обведенные кружками точки состояния (ZP1) - (ZP4) согласно фиг. 3. Они характеризуют изменение состояний соответствующего потока вещества внутри устройств 40 - 47. Обозначены также промежуточные состояния в кругообороте веществ, например, на выходе раствора (ZP2') на первичной стороне рекуператора 43 раствора и поток смеси в контуре газа (ZP-). Они не оказывают почти никакого влияния на рабочие свойства гальваносорбционного реакционного элемента.

К обогатителю 42 газа паром для испарения раствора [L]r извне подводят тепло, а в охладителе 44 раствора из раствора [L] на нижнем температурном уровне отбирают только столько тепла, чтобы ход реакции внутри гальваносорбционного реакционного элемента 40 поддерживать адиабатическим. Электрическую полезную работу снимают с реакционного элемента через внешнее сопротивление 41 нагрузки. Мощности привода насоса 46 для раствора и газового компрессора 47 незначительны, так как оба транспортирующих устройства транспортируют почти без разницы давлений и должны лишь восполнять потери давления потоков во всем кругообороте веществ. Внешняя часть кругооборота веществ по своему технологическому составу не зависит от конструкции гальваносорбционного реакционного элемента (фиг. 1 и 2).

За обогатителем 42 газа паром может быть дополнительно введено устройство для очистки пара за счет парциальной конденсации обратного потока в том случае, если при термическом разделении растворов с помощью собственного давления пара растворяющего вещества в насыщенном паром несущем газе содержится слишком большое количество растворяющего средства в паре, и оно препятствует нормальному ходу гальваносорбционной реакции внутри реакционного элемента, несмотря на постоянный отвод из реакционного элемента. Парциальную конденсацию обратного потока можно проводить также рекуперативно с применением избыточного охлаждающего потенциала обогащенного паром раствора [L]r.

Цикличный процесс для термогальванического преобразования энергии особого типа показан на фиг. 5. Он возможен за счет применения внешней, электростатической поддержки процесса гальваносорбционной реакции. В двух соответствующих друг другу диаграммах состояния, отображающих зависимость значений температуры насыщения и давления насыщения раствора и парового компонента от концентрации раствора, он представлен в виде треугольного процесса. Несущий газ снова проявляется только через постоянное общее системное давление кругооборота веществ, причем Pges. = PD + PG.

Цикличный процесс содержит следующие изменения состояния: квазиизотермическое термическое разделение раствора (ZP3L, ZP1D ---> ZP3D, ZP1L), подогрев раствора (ZP2L ---> ZP3L) при постоянном количестве вещества с подводом тепла извне, и (политропного) гальваносорбционного обратного восстановления раствора (ZP1L, ZP3D ---> ZP2L, ZP1D), результирующегося из наложения изотермического изменения вещества и изентропического уменьшения температуры при постоянном количестве вещества, с отдачей работы наружу.

Точки состояния представляют собой снова состояния равновесия для соответствующих жидких потоков и определяются их параметрами состояния (P, T, L, D). Разница потенциалов веществ политропного процесса гальваносорбционной реакции достигается за счет пространственного распределения жидких потоков по реакционному элементу. С помощью дополнительной электростатической поддержки потенциала электродов обеспечивают при повышении рабочего напряжения элемента охлаждение абсорбирующего пар раствора. Политропный процесс сорбции внутри реакционного элемента в этом случае может проходить адиабатически или не адиабатически и можно влиять на него извне с помощью прикладываемой электростатически к электродам разницы напряжений.

Собственное напряжение элемента, результирующееся из разницы потенциалов веществ гальваносорбционного реакционного элемента, индуцирует поток ионов и тем самым во внешнем электрическом контуре поток электронов, в то время как наложенное на собственное напряжение электростатическое напряжение вызывает понижение температуры насыщенного паром раствора. Подводимое извне электростатическое дополнительное напряжение изменяется при политропном процессе сорбции пропорционально уменьшению температуры раствора и обратно пропорционально увеличению концентрации раствора. Оно может в несколько раз превосходить величину собственного напряжения элемента. Пропорционально электростатическому дополнительному напряжению повышается съем полезной работы за счет увеличения рабочего напряжения реакционного элемента. Условием для начала и поддержания протекания политропного процесса гальваносорбционной реакции является наличие результирующегося из разницы потенциалов веществ собственного напряжения реакционного элемента.

Цикличный процесс по фиг. 5 образует основу для технологического выполнения внешней части кругооборота веществ для обеспечения не находящихся в равновесии снабжения веществами и отвода веществ от реакционного элемента. Замкнутый кругооборот веществ показан на фиг. 6 и поясняется ниже. Реакционный элемент 50 с внешним сопротивлением 56 нагрузки и подключенным электростатическим активирующим источником снабжен подогреваемым нагревателем 51 раствора, обогатителем 52 газа паром, комбинированным с сепаратором фаз 53 насосом 54 для раствора и газовым компрессором 55.

Общее для таких тройных систем веществ прохождение веществ во внешней части кругооборота состоит в следующем.

Отводимую из реакционного элемента 50 двухфазовую смесь [L]r, [G,D]a (ZP2) подводят сверх дна сепаратора фаз 53 и разделяют в нем фазы [L]r (ZP2) и [G, D] a (ZP2). Отводимый с головки сепаратора фаз 53 газ [G,D]a (ZP2) с уменьшенным содержанием пара соединяют с отведенным от реакционного элемента 50 газом [G,D]m (ZP1) со среднеуменьшенным содержанием пара, и смесь [G,D]x (ZP-) с помощью газового компрессора 55 подводят ко дну обогатителя 52 газа паром и проводят в нем с поглощением пара навстречу подогретому, отдающему пар раствору [L] r (ZP3). Отводимый с головки обогатителя 52 газа паром обогащенный паром газ [G,D]r (ZP3) подводят снова к реакционному элементу 50.

Отводимый со дна сепаратора фаз 53 обогащенный паром раствор [L]r (ZP2) с помощью насоса 54 для раствора транспортируют через нагреватель 51 раствора (ZP3) и подают в головку обогатителя 52 газа паром и отведенный со дна обогатителя 52 газа паром обедненный паром раствор [L]a (ZP1) подводят снова к реакционному элементу 50. Тем самым через внешнюю часть кругооборота веществ обеспечивают снабжение веществами и отвод веществ от гальваносорбционного реакционного элемента. Отдельные жидкие потоки кругооборота веществ показаны на фиг. 6 в качестве примера для тройной системы веществ с водородом в качестве несущего газа в комбинации с водным раствором аммиака.

При экстремально низких повышениях концентрации раствора (L 10%) необходимо учитывать, что необходимое для индуцирования потока ионов, результирующееся из разницы потенциалов веществ собственное напряжение элемента также очень мало. В этом случае можно подводимый к реакционному элементу обедненный паром раствор [L] a в предусмотренном для этой цели рекуператоре предварительно парциально охладить в противотоке с охлажденным, обогащенным паром раствором [L]r и таким способом повысить разницу потенциалов веществ и тем самым собственное напряжение реакционного элемента.

При необходимости, может быть введена дополнительная очистка паровой компоненты с помощью парциальной конденсации обратного потока. Технологическое выполнение кругооборота веществ по фиг. 6 можно также применять к любым системам веществ. На фиг. 7 показана эквивалентная схема включения электростатического активирующего источника 62 в электрический контур гальваносорбционного реакционного элемента 60 с политропным ходом реакции. Активирующий источник 62 подключен электрически параллельно реакционному элементу 60 и сопротивлению 61 нагрузки. Активирующий источник 62 состоит из регулируемого источника постоянного напряжения 63 и двух запирающих диодов 64, 65, ограничивающих ток несколькими мА. Направление потенциалов реакционного элемента 60 и активирующего источника 63 одинаково, величины внутреннего сопротивления 66 реакционного элемента и сопротивления 61 нагрузки также одинаковы, при этом сопротивление 61 нагрузки может быть согласовано с внутренним сопротивлением 66 реакционного элемента 60. При отключенном активирующем источнике 62 реакционный элемент 60 генерирует на основании разницы потенциалов веществ свое низкое собственное напряжение и через сопротивление 61 нагрузки течет ток Iz обратно к реакционному элементу 60. При этом рабочее напряжение составляет Ueff.= Ust.-Ieff.RZ.
При включенном активирующем источнике 62 через сопротивление 61 нагрузки при увеличенном на величину электростатического напряжения Uest. напряжении Uo= Ust.+Uest. течет рабочий ток Ieff. = Iz+ 1/2 ID, в то время как через реакционный элемент протекает ток Iz - 1/2 ID, а ток пропускания диодов ID протекает через активирующий источник 62. Таким образом, рабочее напряжение реакционного элемента 60 составляет Ueff.= Uo-(IZ-1/2ID)Rz, при этом ток в направлении пропускания диодов ID мал по сравнению с Iz и им можно пренебречь. Повышенная на величину электростатического напряжения Uest. электрическая мощность реакционного элемента 60 результируется из охлаждения раствора политропного хода реакции.


Формула изобретения

1. Способ преобразования работы сорбционной реакции в полезную электрическую работу посредством гальванического реакционного элемента с мембранным электролитом, к которому подводят и от которого отводят тройную систему веществ, состоящую из смеси пар/несущий газ и адсорбирующего пар раствора, и который состоит из корпуса элемента, который содержит плоский пористый прозрачный для газа первый электрод и плоский пористый прозрачный для газа и жидкости второй электрод и который с помощью не пропускающего рабочую среду, гальванически разъединяющего окружного затвора разделен на первую часть корпуса и вторую часть корпуса, в котором между поверхностями электродов расположен селективно прозрачный для ионов мембранный электролит, который вместе с пористыми электродами образует механически стабильное соединение, при котором через образованный обращенной от мембранного электролита поверхностью первого электрода и первой частью корпуса щелевидный газовый канал пропускают насыщенный паром, генерирующий паровым компонентом ионы несущий газ, причем через образованный обращенной от мембранного электролита поверхностью второго электрода и второй частью корпуса щелевидный жидкостный канал пропускают абсорбирующий пар раствор, электроды электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки, и при котором в газовый канал через отверстия в первой части корпуса подводят насыщенный паром несущий газ с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа с уменьшенным парциальным давлением пара, а в жидкостный канал через отверстия во второй части корпуса подводят недонасыщенный раствор с незначительной концентрацией пара и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь недонасыщенного раствора с увеличенной концентрацией пара и небольшим парциальным давлением пара, а также насыщенного паром несущего газа с тем же небольшим парциальным давлением пара, так, что при применении генерирующего паровым компонентом катионы несущего газа и селективно пропускающего этот вид катионов мембранного электролита за счет анодного окисления при поглощении несущего пара и пара из газового канала на границе фаз газ/твердое тело/электролит первого электрода образуются катионы, которые проходят через мембранный электролит на второй электрод и на его границе фаз газ/жидкость/твердое тело за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут с первого электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки ко второму электроду, или в котором при применении генерирующего паровым компонентом анионы несущего газа и селективно пропускающего этот вид анионов мембранного электролита за счет катодного восстановления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз газ/твердое тело/электролит первого электрода образуются анионы, которые проходят через мембранный электролит на второй электрод и на его границе фаз газ/жидкость/твердое тело за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут со второго электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки к первому электроду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к гальваническому реакционному элементу наряду с участвующим в процессе гальваносорбционной реакции генерирующим паровым компонентом ионы и выравнивающим давление системы несущим газом подводят и отводят от него любой абсорбирующий пар раствор, разлагаемый термическим способом на паровой компонент и жидкий компонент, причем водород является генерирующим паровым компонентом катионы газом, а кислород - генерирующим паровым компонентом анионы газом, и участвующая в целом в процессе гальваносорбционной реакции система веществ является по меньшей мере тройной системой, причем структурные материалы реакционного элемента являются инертными по отношению к выбранной системе веществ.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в тройную систему веществ добавляют повышающий ионную проводимость, растворимый в растворяющем средстве электролитический компонент с пренебрежимо малым собственным давлением пара.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что протекающий в реакционном элементе процесс гальваносорбционной реакции проводят адиабатически или не адиабатически, причем в случае не адиабатического проведения процесса применяют соприкасающийся с раствором электрод, который или токопроводящая система которого имеет равномерно распределенные по его поверхности, пропускающие переносящую тепло рабочую среду каналы, стенки которых пропускают тепло, но не прозрачны для рабочей среды.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что пропускаемые через кругооборот с помощью устройств транспортирования рабочей среды фазовые количества веществ выбирают так, чтобы в ходе гальваносорбционной реакции устанавливалось остающееся постоянным повышение концентрации или разбавление раствора и остающееся постоянным обеднение паром несущего газа, причем общее давление системы устанавливают постоянным за счет пополнения кругооборота несущим газом и больше достигаемого при тройном кругообороте верхнего парциального давления пара.

6. Способ по любому из пп.2 - 5, отличающийся тем, что к электродам присоединяют источник активирующего напряжения, который непрерывно создает на них квазиэлектростатическую разницу потенциалов величиной в несколько вольт, причем эта разница потенциалов накладывается на собственную разницу напряжений элемента.

7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что из подводимых к гальваническому реакционному элементу с внешним сопротивлением нагрузки и отводимых от него потоков веществ создают изобарный, тройной кругооборот веществ с внешним термическим разложением веществ и внешним разделением фаз с помощью введения в кругооборот подогреваемого, комбинированного с сепаратором фаз обогатителя газа паром, рекуператора раствора, охладителя раствора, сепаратор фаз, насоса для раствора и газового компрессора, при этом отводимую из реакционного элемента двухфазовую смесь подводят над дном в сепаратор фаз и разделяют в нем фазы, а газ с уменьшенным содержанием пара, отводимый от верхней части сепаратора фаз, соединяют с отведенным от реакционного элемента газом со средне уменьшенным содержанием пара, и смесь с помощью газового компрессора подводят ко дну обогатителя газа паром и проводят в нем с поглощением пара, навстречу подогретому, отдающему пар раствору, а отводимый от верхней части обогатителя газа паром обогащенный паром газ подводят снова к реакционному элементу, в то время как отводимый со дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через вторичную сторону рекуператора раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, и обедненный паром раствор отводят от дна обогатителя газа паром, пропускают через первичную сторону рекуператора раствора и через охладитель раствора и подводят снова к реакционному элементу.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что из подводимых к гальваническому реакционному элементу с внешним сопротивлением нагрузки и дополнительно подключенного активирующего источника и отводимых от него потоков веществ создают изобарный, тройной кругооборот веществ с внешним термическим разложением веществ и внешним разделением фаз, в который включены подогреваемый подогреватель раствора, комбинированный с сепаратором фаз подогреваемый обогатитель газа паром, сепаратор фаз, насос для раствора и газовый компрессор, при этом отводимую из реакционного элемента двухфазовую смесь пропускают над дном сепаратора фаз и разделяют в нем эти две фазы, причем газ, отводимый от верхней части сепаратора фаз, соединяют с отведенным от реакционного элемента газом со средне уменьшенным содержанием пара, и смесь с помощью газового компрессора подводят ко дну обогатителя газа паром и проводят в нем с поглощением пара навстречу подогретому, отдающему пар раствору, а отводимый от верхней части обогатителя газа паром обогащенный паром газ подводят снова к реакционному элементу, в то время как отводимый от дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через нагреватель раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, а отведенный от дна обогатителя газа паром обедненный паром раствор подводят снова к реакционному элементу.

9. Способ преобразования работы сорбционной реакции в электрическую полезную работу посредством гальванического реакционного элемента с жидким электролитом, к которому подводят и от которого отводят тройную систему веществ, состоящую из смеси пар/несущий газ и адсорбирующего пар раствора, и который состоит из корпуса элемента, который содержит плоский, пористый, прозрачный для газа первый электрод и плоский, без зазора прилегающей ко второй части корпуса второй электрод и который с помощью не пропускающего рабочую среду, гальванически разъединяющего окружного затвора разделен на первую часть корпуса и вторую часть корпуса, при котором через образованный обращенными друг к другу поверхностями первой части корпуса и первого электрода щелевидный газовый канал пропускают насыщенный паром, генерирующий паровым компонентом ионы несущий газ, причем через образованный обращенными друг к другу поверхностями электродов щелевидный жидкостный канал пропускают абсорбирующий пар, проводящий ионы раствор, и электроды электрически коротко замкнуты через подводящие и отводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки, и при котором в газовый канал через отверстия в первой части корпуса подводят насыщенный паром несущий газ с высоким парциальным давлением пара и отводят уменьшенное количество насыщенного паром несущего газа с уменьшенным парциальным давлением пара, а в жидкостный канал через отверстия во второй части корпуса подводят недонасыщенный раствор с уменьшенной концентрацией парового компонента и с незначительным парциальным давлением пара и отводят двухфазовую смесь недонасыщенного раствора с увеличенной концентрацией парового компонента, а также насыщенного паром несущего газа с тем же небольшим парциальным давлением пара, так, что при применении генерирующего паровым компонентом катионы несущего газа за счет анодного окисления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз газ/жидкость/твердое тело первого электрода образуются катионы, которые проходят поперек потока раствора через проводящий ионы жидкостный зазор на второй электрод и на его границе фаз газ/жидкость/твердое тело за счет катодного восстановления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут с первого электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки ко второму электроду, или при котором при применении генерирующего паровым компонентом анионы несущего газа за счет катодного восстановления при поглощении несущего газа и пара из газового канала на границе фаз газ/твердое тело первого электрода образуются анионы, которые проходят поперек потока раствора через проводящий ионы жидкостный зазор на второй электрод и на его границе фаз газ/жидкость/твердое тело за счет анодного окисления с выделением эквивалентного количества несущего газа повышают концентрацию протекающего через жидкостный канал раствора, в то время как электроны текут со второго электрода через проводящие ток системы и внешнее сопротивление нагрузки к первому электроду.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что к гальваническому реакционному элементу наряду с участвующим в процессе гальваносорбционной реакции генерирующим паровым компонентом ионы и выравнивающим давление системы несущим газом подводят и отводят от него любой абсорбирующий пар раствор, разлагаемый термическим способом на паровой компонент и жидкий компонент, причем водород является генерирующим паровым компонентом катионы газом, а кислород - генерирующим паровым компонентом анионы газом, участвующая в целом в процессе гальваносорбционной реакции система веществ является по меньшей мере тройной системой, причем структурные материалы реакционного элемента являются инертными по отношению к выбранной системе веществ.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в тройную систему веществ добавляют повышающий ионную проводимость, растворимый в растворяющем средстве электролитический компонент с пренебрежимо малым собственным давлением пара.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что протекающий в реакционном элементе процесс гальваносорбционной реакции проводят адиабатически или неадибатически, причем в случае неадиабатического проведения процесса применяют соприкасающийся с раствором электрод, который или токопроводящая система которого имеет равномерно распределенные по его поверхности, пропускающие переносящую тепло рабочую среду каналы, стенки которых пропускают тепло, но не прозрачны для рабочей среды.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что пропускаемые через кругооборот с помощью устройств транспортирования рабочей среды фазовые количества веществ выбирают так, чтобы в ходе гальваносорбционной реакции устанавливалось остающееся постоянным повышение концентрации или разбавлением раствора и остающееся постоянным обеднение паром несущего газа, причем общее давление системы устанавливают постоянным за счет пополнения кругооборота несущим газом и больше достигаемого при тройном кругообороте верхнего парциального давления пара.

14. Способ по любому из пп.10 - 13, отличающийся тем, что к электродам присоединяют источник активирующего напряжения, который непрерывно создает на них квазиэлектростатическую разницу потенциалов величиной в несколько вольт, причем эта разница потенциалов накладывается на собственную разницу напряжений элемента.

15. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что из подводимых к гальваническому реакционному элементу с внешним сопротивлением нагрузки и отводимых от него потоков веществ создают изобарный, тройной кругооборот веществ с внешним термическим разложением веществ и внешним разделением фаз с помощью введения в кругооборот подогреваемого, комбинированного с сепаратором фаз обогатителя газа паром, рекуператора раствора, охладителя раствора, сепаратор фаз, насоса для раствора и газового компрессора, при этом отводимую из реакционного элемента двухфазовую смесь подводят над дном в сепаратор фаз и разделяют в нем фазы, а газ с уменьшенным содержанием пара, отводимый от верхней части сепаратора фаз, соединяют с отведенным от реакционного элемента газом со среднеуменьшенным содержанием пара, и смесь с помощью газового компрессора подводят ко дну обогатителя газа паром и проводят в нем с поглощением пара навстречу подогретому, отдающему пар раствору, а отводимый от верхней части обогатителя газа паром обогащенный паром газ подводят снова к реакционному элементу, в то время как отводимый со дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через вторичную сторону рекуператора раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, обедненный паром раствор отводят от дна обогатителя газа паром, пропускают через первичную сторону рекуператора раствора и через охладитель раствора и подводят снова к реакционному элементу.

16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что из подводимых к гальваническому реакционному элементу с внешним сопротивлением нагрузки и дополнительно подключенного активирующего источника и отводимых от него потоков веществ создают изобарный, тройной кругооборот веществ с внешним термическим разложением веществ и внешним разделением фаз, в который включены подогреваемый подогреватель раствора, комбинированный с сепаратором фаз подогреваемый обогатитель газа паром, сепаратор фаз, насос для раствора и газовый компрессор, при этом отводимую из реакционного элемента двухфазовую смесь пропускают над дном сепаратора фаз и разделяют в нем эти две фазы, причем газ, отводимый от верхней части сепаратора фаз, соединяют с отведенным от реакционного элемента газом со среднеуменьшенным содержанием пара, смесь с помощью газового компрессора подводят ко дну обогатителя газа паром и проводят в нем с поглощением пара навстречу подогретому, отдающему пар раствору, а отводимый от верхней части обогатителя газа паром обогащенный паром газ подводят снова к реакционному элементу, в то время как отводимый от дна сепаратора фаз обогащенный паром раствор с помощью насоса для раствора транспортируют через нагреватель раствора и подают в верхнюю часть обогатителя газа паром, а отведенный от дна обогатителя газа паром обедненный паром раствор подводят снова к реакционному элементу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электрохимическим устройствам для накопления и генерирования энергии

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрохимических преобразователях, например редокс-элементы, топливные элементы (ТЭ) с жидкими реагентами, электролизеры и т.п

Изобретение относится к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования на электродах химической энергии углеводородного топлива непосредственно в электрическую с последующим восстановлением (регенерацией) фракций углеводородного топлива
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для генерации электрической энергии

Изобретение относится к источникам постоянного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высокотемпературным источникам электроэнергии с прямым преобразованием тепла в электричество

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, использующих преобразование химической энергии в электрическую

Изобретение относится к электротехнике, касающейся источников тока с водным электролитом

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрохимических преобразователях, например редокс-элементы, топливные элементы (ТЭ) с жидкими реагентами, электролизеры и т.п

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве электрохимических накопителей энергии большой емкости

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока

Изобретение относится к источникам электроэнергии с непосредственным преобразованием тепла в электричество и может быть использовано при создании автономных солнечных источников электроэнергии, в том числе космического назначения

Изобретение относится к источникам тока на биохимической основе

Изобретение относится к автономным или индивидуальным источникам малой мощности длительного действия

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности, в химических источниках тока

Изобретение относится к устройствам и способам преобразования химической энергии в электрическую согласно изобретению

Изобретение относится к гальваносорбционному реакционному элементу с замкнутым кругооборотом веществ для преобразования низкотемпературного тепла, предпочтительно, тепловых отходов в полезную электрическую работу

Наверх