Title:
Energy conversion cell for conversion of radiation and heat into electrical energy has metal negative electrode, graphite positive electrode and aqueous manganate and alkali metal hydroxide electrolyte
Kind Code:
A1


Abstract:
The metal negative electrode is especially made of tin (Sn). The positive electrode is made of graphite. The electrolyte consists of an aqueous solution of manganate (IV) salts and an alkali metal hydroxide especially potassium hydroxide. The electrolyte is heated, and electrochemical reactions take place as a current flows through an external load. Return reactions also take place in the electrolyte.



Inventors:
Antrag auf Nichtnennung
Application Number:
DE102005025028A
Publication Date:
03/02/2006
Filing Date:
05/30/2005
Assignee:
Henze, Werner (Isernhagen, 30916, DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Thömen und Kollegen (Hannover)
Claims:
1. Energiekonverterzelle, bestehend aus einer negativen Elektrode aus einem Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Chrom, Eisen, Cadmium, Blei und Kupfer (M) besteht, einer positiven Elektrode aus Graphit und einem zwischen den Elektroden angeordneten und mit diesen in Kontakt stehenden Elektrolyten, der im geladenen Zustand in Wasser gelöstes Manganat(IV)-Salz und Alkalimetall(A)-Hydroxid umfasst und ein galvanisches Element bildet, das unter Abgabe elektrischer Energie an einen an die Elektroden angeschlossenen ohmschen Verbraucherwiderstand entladbar und durch Zuführung thermischer Energie aufladbar ist, wobei die Entladung und Ladung durch nachfolgende Reaktionen beschrieben sind:
Entladung:
a) elektrochemische Reaktion an der positiven Elektrode: 2A+ + 2e → 2A2A + 2H2O → 2AOH + 2Hb) elektrochemische Reaktion an der negativen Elektrode: [MnO3]2– – 2e + 2AOH + M → M(OH)2 + A2[MnO3]Ladung:
c) Rückführungsreaktion an der positiven Elektrode: A2[MnO3] + H2O + 2N → A2[Mn(OH)4]d) Rückführungsreaktion an der negativen Elektrode: M(OH)2 + AOH → A[M(OH)3]A2[Mn(OH)4] + A[M(OH)3] + Wärme → A2[MnO3] + AOH + 3H2O + Mwobei A ein Alkalimetall ist und M ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinn, Zink, Chrom, Eisen, Cadmium, Blei und Kupfer besteht.

2. Energiekonverterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Element alternativ oder zusätzlich unter Aufnahme elektrischer Energie aus einer an die Elektroden angeschlossenen Energiequelle aufladbar ist, wobei die Ladung durch nachfolgende Reaktionen beschrieben sind:
Ladung:
a) elektrochemische Reaktion an der positiven Elektrode: 2[M(OH)3] – 2e + 2AOH + A2[Mn(OH)4] → 2A[M(OH)3] + A2[MnO3] + 3H2Ob) elektrochemische Reaktion an der negativen Elektrode: 2A+ + 2e + A[M(OH)3] → 3AOH + M

3. Energiekonverterzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetall (A) Kalium ist.

4. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall (M) Zinn ist.

5. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der positiven Elektrode das Manganat(IV)-Salz depolarisierend wirkt.

6. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode eine Graphitfolie ist und/oder derart porös ist, dass sie eine möglichst große Oberfläche aufweist.

7. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der zum Elektrolyt weisenden Seite der positiven Elektrode eine Schicht aus einem porösen, elektrisch nicht leitenden und zur Aufnahme des Elektrolyten geeigneten Trägermaterial angeordnet ist, und wobei zwischen dieser Schicht und der negativen Elektrode eine poröse Eisenoxidschicht (Fe3O4) ausgebildet ist, die ebenfalls Elektrolyt enthält und im elektrischen Kontakt mit negativen Elektrode steht.

8. Energiekonverterzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schicht aus Trägermaterial und der negativen Elektrode anstelle der porösen Eisenoxidschicht (Fe3O4 ) eine poröse und elektrisch leitende Mischung aus Eisenoxid (Fe3O4) und Zinn (Sn) besteht, die ebenfalls Elektrolyt enthält.

9. Energiekonverterzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung anstelle von oder zusätzlich zum Zinn (Sn) wenigstens ein anderes gleich wirkendes Metall, insbesondere Zink (Zn) oder Chrom (Cr), umfasst.

10. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Baumwollfasern oder dergleichen besteht und/oder die Schicht aus Trägermaterial dünn ausgebildet ist.

11. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekonverterzelle Mittel, insbesondere eine Regelschaltung, aufweist, um die Wärmeenergiezufuhr an die elektrische Last oder die elektrische Last an die Wärmeenergiezufuhr anzupassen.

12. Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und thermischer Energie in chemische Energie mit einer Energiekonverterzelle, bestehend aus einer negativen Elektrode aus einem Metall, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Chrom, Eisen, Cadmium, Blei und Kupfer (M) besteht, einer positiven Elektrode aus Graphit und einem zwischen den Elektroden angeordneten und mit diesen in Kontakt stehenden Elektrolyten, der im geladenen Zustand in Wasser gelöstes Manganat(IV)-Salz und Alkalimetall(A)-Hydroxid umfasst und ein galvanisches Element bildet, indem zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie
a) an der positiven Elektrode: 2A+ + 2e → 2A2A + 2H2O → 2AOH + 2Hundb) an der negativen Elektrode: [MnO3]2– – 2e + 2AOH + M → M(OH)2 + A2[MnO3]umgesetzt werden und
zur Umwandlung thermischer Energie in chemische Energie
c) an der positiven Elektrode: A2[MnO3] + H2O + 2H → A2[Mn(OH)4]undd) an der negativen Elektrode: M(OH)2 + AOH → A[M(OH)3]A2[Mn(OH)4] + A[M(OH)3] + Wärme → A2[MnO3] + AOH + 3H2O + Mumgesetzt werden,
wobei A ein Alkalimetall ist und M ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Zinn, Zink, Chrom, Eisen, Cadmium, Blei und Kupfer besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Element alternativ oder zusätzlich unter Aufnahme elektrischer Energie aus einer an die Elektroden angeschlossenen Energiequelle aufgeladen wird, indem zur Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie
a) an der positiven Elektrode: 2[M(OH)3] – 2e + 2AOH + A2[Mn(OH)4] → 2A[M(OH3)] + A2[MnO3] + 3H2Ound
b) an der negativen Elektrode: 2A+ + 2e + A[M(OH)3] → 3AOH + Mumgesetzt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkalimetall-Hydroxid Kaliumhydroxid verwendet wird.

15. Energiekonverterzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall (M) Zinn verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betreiben der Energiekonverterzelle die Wärmeenergiezufuhr an die elektrische Last oder die elektrische Last an die Wärmeenergiezufuhr angepasst wird.

Description:

Beim Entladen galvanischer Elemente – Primärbatterien oder Akkumulatoren – mit wässerigen Elektrolyten geht normalerweise das Metall, aus dem die negative Elektrode besteht, in Lösung und am Pluspol entsteht durch die Entladung von positiv geladenen Ionen direkt oder über eine Reaktion atomarer Wasserstoff. Dieser Wasserstoff bildet sehr schnell Wasserstoffmoleküle (H2), wenn er zuvor mit keinem anderen Stoff reagiert. Durch diesen Effekt erhöht sich rasch der Innenwiderstand der Zelle, weil das am Pluspol gebildete Wasserstoffgas isolierend wirkt. Es gibt Verfahren und Methoden den Wasserstoff zu Wasser zu reduzieren, z.B. können an der positiven Elektrode folgende mögliche Reaktionen ablaufen: Pb4+O2 + 2H+ + 2e → Pb2+O + H2Obeim Bleiakkumulator2Ni3+O(OH) + 2H+ + 2e → 2Ni2+O + 2H2Obeim Nickel-Eisen-Akkumulator2Mn4+O2 + 2H+ + 2e → Mn23+O3 + H2Obei der Alkali-Mangan-Batterie

Am Pluspol entsteht also immer ein Endprodukt, das im Fall der Akkumulatoren nur elektrisch rückgewandelt werden kann. Analog dazu verhält sich auch die negative Elektrode. Dort entstehen beim Entladevorgang folgende Substanzen: Pb + [SO4]2– – 2e → PbSO4beim BleiakkumulatorFe + 2(OH) – 2e → Fe(OH)2beim Nickel-Eisen-AkkumulatorZn + 2Cl – 2e → ZnCl2bei der Alkali-Mangan-Batterie

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe von Wärmeenergiezufuhr keine Endprodukte entstehen zu lassen. Dazu muss der am Pluspol gebildete atomare Wasserstoff mit dem Elektrolyten reagieren, woraus eine lösbare Substanz entsteht, mit der das am Minuspol gebildete Salz reagieren kann. Diese Reaktion, die nur unter Wärmeenergiezufuhr abläuft, muss wieder die erforderlichen Ausgangsprodukte liefern. Wichtig ist, dass der gebildete Wasserstoff in atomarer oder ionischer Form zur Reduktion des Zinns an der richtigen Stelle zur Verfügung steht.

Es gibt Salze einer nicht existierenden "Manganigen" Säure H2MnO3. Dazu gehört das Salz, das aus Braunstein und Kaliumhydroxid entsteht. MnO2 + 2KOH → K2[MnO3] + H2O

Der Elektrolyt besteht aus Wasser, in dem das Salz K2[MnO3] und Kaliumhydroxid gelöst ist. Nach Inbetriebnahme der Zelle ist zum Teil auch ein Stannat(II)-Salz K[Sn(OH)3] gelöst. Nachfolgend wird zwischen den elektrochemischen Reaktionen und den chemischen Rückführungsreaktionen, die die Regenerierung der Ausgangsstoffe ermöglichen, unterschieden. Die positive Elektrode besteht aus einer Graphitfolie und die negative aus Zinn. Die beiden Ausgangsprodukte K2[MnO3] und Zinn müssen bei elektrischer Belastung der Zellen aus den elektrochemisch entstandenen Produkten wieder regeneriert werden, um einen Kreislauf zu gewährleisten. Bei Stromfluss über einen externen Verbraucherwiderstand laufen nachfolgende Reaktionen ab:

1. Elektrochemische Reaktion am Pluspol (Reduktion):
  • 2K+ + 2e → 2K
  • 2K + 2N2O → 2KOH + 2H

Nach Entladung der K+-Ionen können die K-Atome mit Wasser reagieren oder auch in das Kristallgitter der Graphitelektrode eingelagert werden. Außer diesem Effekt kann Graphit auch den entstandenen atomaren Wasserstoff in sein Kristallgitter aufnehmen, so dass dieser zur Reaktion mit dem Elektrolyten in seiner aktiven Form zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist die Graphitelektrode derart porös, dass die Oberfläche der Graphitelektrode möglicht groß ist. Vorzugsweise besteht die Graphitelektrode daher aus einem zusammengepressten Graphitpulver. Wasserstoff selbst ist in Wasser praktisch unlöslich. Eine Reaktion des Wasserstoffs mit Luftsauerstoff ist kaum möglich, weil die Graphitelektrode porös ist und Elektrolytflüssigkeit enthält.

2. Rückführungsreaktion am Pluspol (Reduktion):
  • K2[MnO3] + H2O + 2H → K2[Mn(OH)4]

Dabei reduziert sich die Wertigkeitsstufe des Mangans von +4 auf +2.

3. Elektrochemische Reaktion am Minuspol (Oxidation):
  • [MnO3]2– – 2e + 2KOH + Sn → Sn(OH)2 + K2[MnO3]

Es entsteht Zinnhydroxid und bereits wieder ein Ausgangsprodukt, nämlich das Salz K2[MnO3].

4. Rückführungsreaktionen am Minuspol (Reduktion):
  • Sn(OH)2 + KOH → K[Sn(OH)3]

Das am Pluspol entstandene Hydroxomanganat(II) K2[Mn(OH)4] reagiert mit dem Stannat(II) K[Sn(OH)3] unter Zufuhr von Wärmeenergie: K2[Mn(OH)4] + K[Sn(OH)3] → K2[MnO3] + KOH + 3H2O + Sn

Erst mit dieser Reaktion wird Wasser rückgebildet und Zinn wieder in seinen elementaren Zustand versetzt. Außerdem steht das am Pluspol zur Aufnahme von Wasserstoff benötigte Salz K2[MnO3] wieder zur Verfügung und das Mangan gelangt von der 2-wertigen wieder in die 4-wertige Stufe. Durch diese Reaktion wird somit der Kreislauf des Wasserstoffs und des Zinns geschlossen.

Aus der nachstehend vereinfachten Reaktionsgleichung ist zu erkennen, dass zur elektrischen Energiegewinnung die linke Seite der Gleichung zur rechten führt und der umgekehrte Weg mit Energiezufuhr möglich ist. Sn + 2H2O ⇄ Sn(OH)2 + 2H + 16,7kJ

Zu beachten ist noch, dass 2-wertiges Zinn bei Erwärmung leicht in die 4-wertige Stufe übergeht. 2K[Sn(OH)3] → K2[Sn(OH)6] + Sn

Jedoch wird mit dem Hydroxomanganat(II) K2[Mn(OH)4] das Zinn in der Verbindung K2[Sn(OH)6] in seinen elementaren Zustand versetzt. K2(Sn(OH)6] + 2K2[Mn(OH)4] → 2K2[MnO3] + 2KOH + 6H2O + Sn

Das Stannat(II) K[Sn(OH)3] kommt auch im wasserfreien Zustand vor, d.h. es lässt sich entwässern. 2K[Sn(OH)3] → K2Sn2O3 + 3H2O

Auch die Verbindung K2Sn2O3 kann zum Zinn reduziert werden: 2K2[Mn(OH)4] + K2Sn2O3 → 2K2[MnO3] + 2KOH + 3H2O + 2Sn

Die molare freie Standardenthalpie für Sn(OH)2 beträgt ΔG = –491,1 kJ/mol. Demnach müsste die Leerlaufspannung der Zelle 1,33 V betragen. Maximal wurden 1,26 V bei ca. 25°C gemessen. Die Wärmeenergieumwandlung in elektrische Energie funktioniert bereits bei Raumtemperatur (20°C). Sie steigt mit Temperaturerhöhung exponentiell an.

In 1 sind die Funktionsabläufe der Energiekonverterzelle dargestellt. Die Pfeile zwischen den Reaktionsgleichungen, die fett gedruckt sind, weisen auf den Transport des Wasserstoffs hin, der sich in einem Kreislauf befindet und die Doppelstrichpfeile deuten analog dazu auf den Kreislauf des Zinns hin. Außerdem ist eine gestrichelte Trennungslinie vorhanden, die zwischen den elektrochemischen Reaktionen und den Rückführungsreaktionen verläuft, in denen die Depolarisation der positiven Elektrode erfolgt und die Regenerierung der Ausgangssubstanzen bewirkt wird. Weiterhin ist dargestellt, wie Wärmeenergie zur Reduktion chemischer Substanzen dient, die dann wieder zur elektrischen Energieerzeugung zur Verfügung stehen.

Wiedereinsatz des regenerierten elementaren Zinns

Das regenerierte Zinn, das aus der Reaktion des Hydroxomanganats(II) K2[Mn(OH)4] und des Stannats(II) K[Sn(OH)3] entstanden ist, hat keinen elektrischen Kontakt zur negativen Zinnelektrode. Außerdem reagiert es in der vorliegend fein verteilten Form und bei erhöhter Temperatur bereits mit Wasser. Sn + H2O → SnO + 2H + 19,1 kJ

Es entsteht Wasserstoff und durch die nachstehende Reaktion Zinnhydroxid SnO + H2O → Sn(OH)2

Mit Kaliumhydroxid bildet sich wieder das Stannat(II) Sn(OH)2 + KOH → K[Sn(OH)3]

Das Salz K[Sn(OH)3] wird vom Elektrolyten aufgenommen und der Wasserstoff gelangt zu Magnetitpartikeln (Fe3O4), die elektrischen Kontakt mit der negativen Elektrode haben.

In 2 ist der innere Aufbau der Zelle im Schnitt dargestellt. An die positive Elektrode grenzt eine dünne Schicht, die aus einem porösen, nicht elektrisch leitenden und wasseraufnahmefähigen Trägermaterial besteht, in der sich Elektrolytflüssigkeit befindet. Das Material kann z.B. aus Baumwollfasern bestehen. Auch in der Zink-Luft-Primärbatterie werden diese zur Aufnahme von 40%iger Kalilauge verwandt.

Zwischen der elektrolythaltigen, nur ionisch leitenden Schicht und der aus Zinn bestehenden negativen Elektrode befindet sich eine poröse Eisenoxidschicht (Fe3O4), die ebenfalls Elektrolytflüssigkeit enthält. Das Eisen(II, III)-oxid ist gegenüber alkalischen Substanzen resistent, elektrisch leitend und hat die Eigenschaft Wasserstoff in sein Kristallgitter atomar aufzunehmen. Erst bei weit über der Betriebstemperatur der Energiekonverterzelle liegenden Temperatur, nämlich ca. 500 C, reagiert Wasserstoff mit Fe3O4: Fe3O4 + 4H2 ⇄ 3Fe + 4H2O

Der vom Eisenoxid Fe3O4 aufgenommene Wasserstoff verteilt sich gleichmäßig im Kristallgitter des Oxids und gelangt bis zur Innenseite der negativen Zinnelektrode. Er reagiert dort und auch an der Oberfläche des Eisenoxids elektrochemisch mit negativ geladenen Ionen, indem er Elektronen zur negativen Elektrode abgibt. Weil die Elektrolytflüssigkeit auch thermischen Strömungen unterliegt, gelangt der gesamte im Elektrolyten entstandene Wasserstoff zur Oberfläche des Eisenoxids und der Innenseite der negativen Elektrode. Mit der Verwendung des Eisenoxids Fe3Oa wird praktisch die Oberfläche der negativen Elektrode extrem vergrößert und es wird das regenerierte Zinn bzw. der daraus entstandene Wasserstoff abhängig von der thermischen Bewegung der Elektrolytflüssigkeit erfassbar gemacht. Die negative Elektrode ist deshalb teils eine Zinn- und teils eine Wasserstoffelektrode.

Es hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad der Energiekonverterzelle auch noch dadurch erhöht werden kann, dass zwischen der elektrolythaltigen, nur ionisch leitenden Schicht und der aus Zinn bestehenden negativen Elektrode eine poröse Mischung aus Eisenoxid (Fe3O4) und Zinn (Sn), insbesondere in Form einer Pulvermischung, angeordnet ist, welche ebenfalls Elektrolytflüssigkeit enthält. Durch das Zinn (Sn) wird einerseits die Leitfähigkeit und andererseits auch die für die Ab- und Adsorptionsvorgänge erforderliche Oberfläche der genannten Schicht erhöht.

Die genannte Mischung kann anstelle von Zinn auch mit anderen gleichwirkenden endothermen Metallen ausgeführt werden, insbesondere mit Zink oder Chrom.

Gleichgewichtsbedingung zwischen elektrischer Last und Wärmeenergiezufuhr

Wenn die elektrische Belastung im Verhältnis zur Energieumwandlungskapazität und zur Betriebstemperatur der Energiekonverterzelle zu hoch ist, kann der Elektrolyt den gesamten an der positiven Elektrode gebildeten Wasserstoff nicht aufnehmen. Es entstehen dort Wasserstoffmoleküle (H2), wodurch der Innenwiderstand der Zelle steigt. Außerdem sinkt der Wasseranteil des Elektrolyten und es bildet sich mehr Stannat(II)-Salz, womit auch in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid gebunden wird.

Wenn die Betriebstemperatur höher ist, als es die elektrische Last erfordert, erhöht sich auch die Klemmenspannung der Zelle. Ein Leerlauf ist in der Regel unschädlich und begünstigt die Reduktion der unter vorheriger elektrischer Belastung entstandenen Produkte, jedoch kann bei einer zu hohen Betriebstemperatur an der negativen Elektrode Wasserstoff entwickelt werden, Sn + 4H2O + 2KOH → K2[Sn(OH)6] + 2H2womit ebenfalls Wasserstoffmoleküle entstehen und Wasser verbraucht wird. Es ist also sinnvoll, die Wärmeenergiezufuhr an die elektrische Last anzupassen oder umgekehrt, was mit Regelschaltungen leicht erreichbar ist.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Zelle keine besonders umweltschädlichen Stoffe enthält. Kalilauge wird z.B. auch in Alkali-Mangan-Zellen verwandt.

Das Verfahren kann auch unter Verwendung anderer Metalle realisiert werden. In Betracht kommen z.B. Zink, Chrom, Eisen, Cadmium, Blei und Kupfer.

Elektrische Energiespeicherung mit der Energiekonverterzelle

Solange die Zelle Zinnsalz enthält kann zugeführte elektrische Energie in der Zelle gespeichert werden. Am Minuspol wird dann Wasserstoff erzeugt, der vorhandene Zinnsalze zu elementaren Zinn reduziert.

Am Pluspol wird zunächst Sauerstoff erzeugt, mit dem dann die Wertigkeitsstufe des Mangans von +4 auf +6 erhöht wird.

Bei der folgenden Reaktion wird die Wertigkeitsstufe des Mangans von +6 wieder auf +4 reduziert: K2(MnO4] + K2[Mn(OH)4] → 2K2[MnO3] + 2H2O

Auf diese Weise ist also auch elektrische Energie in der Zelle begrenzt speicherbar.