NO803611L - Fremgangsmaate og anordning for dannelse av elektrisk energi ved bruk av luft og vann - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte og et apparat for dannelse av elektrisk energi ved bruk av luft og vann. Apparatet omfatter en karbonstav (2), hvorav-en del er omgitt av en oksyderbar og reduserbar substans (5) og en annen del er omgitt av et anodisk stoff (3). En sinksylinder (1) omgir det anodiske stoff (3) og et elektrisk legeme (7) omgir sinksylinderen. Etter at en vandig elektrolytt som inneholder et ammoniumkompleks er anbragt i apparatet, blir ammoniumkomplekset dekomponert på overflaten til det elektriske legeme (7), hvorved det dannes nascerende hydrogen, som reagerer med oksygen fra luften på overflaten til det elektriske legeme (7).

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for dannelse av elektrisk energi ved hjelp av luft og vann, samt et apparat for bruk ved gjennomføring av fremgangsmåten.

En blyakkumulator, som er meget brukt i dag, har en relativt enkel konstruksjon og er lett å håndtere. Den er imidlertid ufordelaktig ved at den bare danner effektiv energi over en kort tidsperiode og videre at den er tung og har dår-lige mekaniske egenskaper.

Hvis vekten til blyakkumulatoren kunne reduseres, ville det oppnås en stor fordel.

I de senere år har også hydrogen som energikilde blitt viet stor oppmerksomhet.

Når hydrogen kombineres med oksygen, kan det oppnås en stor mengde elektrisk energi. For imidlertid å gjennomføre en dannelse av hydrogen og en forbrenning i industrielle måle-stokk, er det nødvendig med et stort apparat for trykkutøvelse og oppvarming.

Det er velkjent at hydrogen kan dannes ved elektrolyse av vann. Ved elektrolyse av vann vil imidlertid elektrisk energi være nødvendig i en mengde som svarer til det hydrogen som produseres, og denne elektrolyseprosess er ikke fordelaktig sett ut fra et energiøkonomisk synspunkt.

I japansk patent nr. 974645 (japansk patentpublika-sjon nr. 54-6,993) er det beskrevet en fremgangsmåte for dannelse av hydrogen ved elektrolyse av vann, som omfatter forbind-else av rustfritt stål eller jern med metallisk sink, hvorved disse metaller er istand til å tilveiebringe en kontaktspenning og strøm på grunn av deres forskjell i ioniseringspotensial,

og innsetting av den forbundne metallsammensetning i en ammoniakalsk, alkalisk elektrolytisk vandig oppløsning som omfatter nøytralt ammoniumkarbonat eller nøytralt ammoniumkarbonat med ammoniumhydroksyd tilsatt.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for permanent dannelse av elektrisk energi ved bruk av et apparat for dannelse av elektrisk energi som har en ny konstruksjon som er istand til å overvinne alle de ovenfor nevnte ulemper.

Foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i foranstående med hensyn til kjent teknikk.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det til-veiebragt en ny oksygen-hydrogen brennstoffcelle som benytter hydrogen som er fremstilt ved den foran nevnte elektrolyse av vann i kombinasjon med et vanlig batteri, f. eks. et sink-mangandioksyd primærbatteri.

Apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med oppfinnelsen er således kjennetegnet ved at elektrolytten omfatter en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning som inneholder et ammoniumkompleks, hvis metallkomponent velges fra gruppen som består av sink, kobolt, nikkel, mangan

og sølv, hvor den negative pol omfatter et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av aluminium-sink, aluminium-mangan, aluminium-kobolt, aluminium-nikkel og aluminium-sølv, og den positive pol omfatter en karbonstav og et medium av

et oksyderbart og reduserbart metalloksyd av oksyderbart og reduserbart organisk materiale og et vanlig anodisk stoff, så-som mangandioksyd.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares ved hjelp av tegningen som skjematisk illustrerer et eksempel for et apparat for dannelse av elektrisk energi i samsvar med foreliggende oppfinnelse, hvor henvisningstallene viser til følgende deler:

r remgangsmacen ror aannej.se av eieKtrisK energi i samsvar med foreliggende oppfinnelse omfatter tilveiebringelsen av en elektrolytt som omfatter en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning som inneholder et ammoniumkompleks med et sentralt metallatom som velges fra gruppen bestående av sink, kobolt, nikkel, mangan og sølv, tilveiebringelsen av en negativ pol som omfatter et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av en aluminium-sinksammensetning, en aluminium-mangansammensetning, en aluminium-koboltsammensetning, en aluminium-nikkelsammensetning og en aluminium-sølvsammenset-ning, tilveiebringelsen av en positiv pol som omfatter en karbonstav, hvor en del av karbonstaven er omgitt av et metalloksyd eller et organisk materiale som er såvel oksyderbart som reduserbart, og en annen del av karbonstaven er omgitt av et anodisk stoff, at ammoniumkomplekset dekomponeres fra elektrolytten på overflaten til det elektriske legeme for dannelsen av nascerende hydrogen, og at det nascerende hydrogen reagerer med oksygen på overflaten til det elektriske legeme.

Apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med oppfinnelsen omfatter som en positiv pol en karbonstav, idet en del av karbonstaven er omgitt av et metalloksyd eller et organisk materiale, som er såvel oksyderbart som reduserbart, og hvor en annen del av karbonstaven er omgitt av et anodisk stoff. Apparatet omfatter videre en negativ pol som omfatter lf, en sinksylinder som omgir omkretsen og bunnen av det anodiske stoff, hvor de indre flater på sinksylinderen er foret med et luftpermeabelt materiale, f. eks. Japan-papir,

en porøs eller perforert, syntetisk harpiks, .ff. eks. en porøs eller perforert plastfilm av polyetylen eller polypropylen) eller en vevet eller ikke vevet fibrøs bane, 2) et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av en aluminium-sinksammensetning, en aluminium-mangansammensetning, en aluminium-koboltsammensetning, en aluminium-nikkelsammensetning og en aluminium-sølvsammensetning, som omgir omkretsen til sink-

sylinderen, 3) en rustfri stålduk som omgir omkretsen til den elektriske stav, og 4) som en negativ endepol en aluminiumstav i kontakt med den rustfrie stålduk, en beholder for opptak av de positive og negative poler, og en elektrolytt i kontakt med den negative pol, hvilken elektrolytt omfatter en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning som inneholder et ammoniumkompleks med et sentralt metallatom valgt fra gruppen bestående av sink, kobolt, nikkel, mangan og sølv.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er den negative pol et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av aluminium-sink, aluminium-mangan, aluminium-kobolt, aluminium-nikkel og aluminium-sølv. Det er foretrukket at en duk fremstilt av rustfritt stål og plassert i nærheten av det elektriske legeme, da varigheten for den negativ pol derved økes. Det er også foretrukket at den rustfrie stålduk er omgitt ved sin ytre flate med en aluminiumplate, da gjenvinnin-gen av elektrisk strøm derved fremmes.

Den positive pol er fremstilt ved omslutting av en del av en endepol fremstilt av en karbonstav med en absorberende bomull som er impregnert med en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning eller suspensjon som inneholder et oksyderbart og reduserbart metalloksyd eller et oksyderbart og reduserbart organisk materiale, og ved kombinasjon av den inne-sluttede masse med f. eks. en mangandioksydgrafittammonium-kloridsammensetning, som er et vanlig anodisk stoff for et mangan tørrbatteri. Dette anodiske stoff kan inneholde 80 - 85 vektprosent mangandioksyd, 13 - 14 vektprosent grafitt, 2-5 vektprosent ammoniumklorid og 0 - 1 vektprosent glyserin.

Som elektrolytt benyttes en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning av et ammoniumkompleks hvis sentrale metallkomponent velges fra gruppen bestående av sink, kobolt, mik-kel, mangan og sølv. Elektrolytten fremstilles ved oppløsning av sinkoksyd, koboltoksyd, nikkeloksyd, manganoksyd eller sølv-oksyd i en vandig oppløsning av ammoniumhydroksyd.

Fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, kan ikke-aluminiummetallet i det elektriske legeme være det samme som det sentrale metallatom i ammoniumkomplekset som inneholdes i elektrolytten.

I apparatet for dannelse av elektrisk energi ifølge foreliggende oppfinnelse blir ammoniumkomplekset fra elektrolytten dekomponert på flaten til det foran nevnte elektriske legeme for dannelsen av hydrogen. Deretter blir hydrogenet,

i nascent tilstand, før det omdannes til hydrogengass i fri tilstand, tillatt å reagere med oksygen fra luften på overflaten til det elektriske legeme.

Det antas at følgende reaksjoner, hvor M er et metallatom, f. eks. sink, gjennomføres i prosessen og apparatet ifølge oppfinnelsen.

Av det foranstående kan det fastslås at et elektron migrerer fra den negative pol til den positive pol og således at en elektrisk strøm passerer fra den positive pol til den negative pol.

Den hydrogene gass som fremstilles av den katalyt-iske reaksjon på flaten til den negative og den positive pol er så aktiv eller nascent at det på overflaten til den elektriske pelkatalysator meget hurtig vil kombineres med oksygen fra luften og tilveiebringe elektrisitet såvel som vannmoleky-ler, og således at den elektriske strøm kan økes fra den posi tive til den negative pol. Det er følgelig foretrukket å fjer-ne nesten all ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning av metallisk ammoniumkompleks fra apparatet etter ca. 1 times reaksjon med stavmetallene.

Eksperimenter har vist at denne teori er riktig. Omvendt kan ingen elektrisitet dannes ved fravær av fuktighet.

Apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med oppfinnelsen drives ved vanlig temperatur under vanlig trykk, noe som er fordelaktig.

Foreliggende oppfinnelse skal i det følgende illu-streres nærmere ved hjelp av eksempler som ikke er begrensende. Eksempel 1

A) Fremstilling av elektrolytt:

Sinkoksyd ble tilsatt til en vandig oppløsning med en konsentrasjon på 3 % ammoniakk i et forhold på 1 : 500 (vekt i gram, volum i milliliter) ved romtemperatur for fremstilling av en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning av et sink-ammoniumkompleks [Zn(NH^)gH^](OH)g. B) Fremstilling av det elektriske alluminium-sink-legeme: 0,1 g sinkoksyd ble tilsatt til 50 ml av en vandig oppløsning med en konsentrasjon på 2 % ammoniakk. Ved å stå ved romtemperatur i minst ca. 1 time ble sinkoksydet oppløst i blandingen, og en ammoniakalsk!,. alkalisk vandig oppløsning av sink-ammoniumkompleks, som i A ovenfor, ble oppnådd.

En aluminiumplate ble neddykket i denne oppløsning til utfelling av sink på overflaten til platen for således å fremstille det elektriske Al-Zn-legeme. C) Fremstilling av apparatet for dannelse av elektrisk energi: Apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med foreliggende oppfinnelse er skjematisk vist på tegningen.

Under henvisning til tegningen blir et vanlig anodisk stoff 3 som består av mangandioksyd (Mn02), grafitt og ammoniumklorid (NH^Cl) fylt rundt den nedre del av en karbonstav 2 i en sinksylinder 1 med en bunn, på samme måte som et vanlig primært tørrbatteri. En flat plate 4 fremstilt av vinyl- harpiks, som er påsatt en sylinder, er plassert i den øvre del av sinksylinderen 1 for å dekke det anodiske stoff 3, og innsiden av sylinderen 4 er fylt med en absorberende bomull 5

som er impregnert med en ammoniakalsk, alkalisk vandig opp-løsning som inneholder manganoksyd (MnO)-pulver.

Innerflaten til sinksylinderen 1 er foret med Japan-papir 6, og den ytre flate av sinksylinderen 1 er omgitt av det ovenfor nevnte preparerte elektriske aluminium-sink-legeme 7 hvis ytre flate er på sin side omgitt av dobbeltvind-ingene til en rustfritt stålduk 8.

Videre er den ytre flate av de ytre vindinger av det rustfrie stålduk ,8 omgifct„av en aluminiumplaté...9 ...

En aluminiumstav 10 tjener som endepol for den negative pol og innsettes mellom de dobbelte bindinger til den rustfrie stålduk .8..

Anordningen plasseres i en plastbeholder 13 som er utstyrt med etl rustfri ..stålduk 11 og.en aluminiumplate 12:.

ved innsiden av bunnen.

Deretter blir elektrolytten 14, som er fremstilt som beskrevet ovenfor, helt inn i rommet mellom ytterflaten til anordningen og innerflaten til beholderen til oppnåelsen av et nivå som svarer til ca. 70 % av høyden til den negative poldel, og et lokk 15 tilpasses på beholderen på en slik måte at innsiden av beholderen kan bli fritt åpnet til den omgiven-de atmosfære.

Elektrolytten 14 strømmer under aluminiumplaten 9, deretter langs aluminiumplaten 12 og så ved kapillærvirkning går den oppover mellom sinksylinderen 1 og det elektriske legeme 7, oppover mellom det elektriske legeme 7 og den første vinding på den rustfrie stålduk 8, oppover mellom de to vindinger av rustfri duk 8 og oppover mellom den andre vinding av rustfri duk 8 og aluminiumplaten 9. Når elektrolytten 14 kommer i kontakt med det elektriske legeme 7, dannes hydrogen på følgen-de måte:

D) Apparatets ytelse:

Apparatet for dannelse av elektrisk energi ble ut-prøvet med en belastning som var nødvendig for å rotere en 0,01 hk motor for å bestemme spenningen og strømmen i avhengig-het av tiden. Resultatene er vist i tabell 1.

Etter 20 timer var apparatet utladet i luft ved normal temperatur og trykk.

Etter 2 timer fra utladningen ble apparaet igjen prøvet. Resultatet, som er vist i tabell 1, ble reprodusert.

De ovenfor nevnte prøver indikerer at apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med oppfinnelsen absor-berer oksygen fra luften ved normal temperatur og trykk, hvorved apparatet lades.

I tillegg blir sinkforbindelsen, som fremstilles sammen med hydrogen under dekomponeringen av sink-ammoniakk-komplekset på overflaten til det elektriske legeme, omdannet tilbake til sink-ammoniakkomplekset etter følgende formel:

Det er således et syklisk system innbefattet som resulterer i dannelsen av hydrogen. Ved denne prosedyre blir den termiske solenergi omformet til elektrisk energi ved en såkalt forbrenning fra et nascent hydrogen med luftoksygen på overflaten til en elektrisk stavkatalysator ved en vanlig temperatur og trykk.

Til sammenligningsformål er forandringer i spenning og strøm med tidsforløpet for et vanlig manganbatteri, vist i tabell 2.

Eksempel 2

De samme metoder som beskrevet i eksempel 1 ble gjentatt, med unntak av pyrogallol ble benyttet i steden for manganoksyd (MnO). Prøveresultatene er vist i tabell 3.

I tillegg ble det funnet at ladningen av apparatet fordelaktig kan gjennomføres hvis noen millimeter av en vandig oppløsning med en konsentrasjon på 2 % ammoniakk alene benyttes i den del av den positive polside av apparatet som svarer til den som opprinnelig ble opptatt av den ammoniakalske, alkaliske vandige oppløsning av manganoksyd eller pyrogallol, og den vandige elektrolytt for den negative pol, som er blitt helt i beholderen for å nå et nivå på ca. 70 % av høyden til den negative poldel, blir fjernet fra den negative polside etter at den negative poldel er neddykket i elektrolytten i ca. 1 time.

Den elektriske energi for apparatet vil være avhengic av av det benyttede materiale. F. eks. hvis oksydasjonsmidlet er sammensatt av MnC^-grafitt-NH^Cl, på tilsvarende måte som ved en vanlig Mn-Zn elektrisk celle, og hvis den positive pol er en karbonstav hvis øvre del er omgitt av en MnO-NH^OH-suspensjon, som angitt ved 5 på tegningen, så vil spenningen til apparatet være over 1,6 V og dens strøm over 4,1 A.

Disse data ble fastslått ved eksperimentering.

I apparatet for dannelse av elektrisk energi i samsvar med oppfinnelsen vil det ved forandring av konsentrasjonen av ammoniakk som benyttes ved fremstillingen av elektrolytten være mulig å styre spenningen og strømmen til apparatet. Konsentrasjonen av ammoniakk ligger fortrinnsvis i området mellom 0,1 og 5 vektprosent, og temperaturen for elektrolytten er fortrinnsvis i området fra 10 - 40°C.

Som det fremgår av ovenstående beskrivelse er det

i samsvar med oppfinnelsen mulig å opprettholde en syklisk

dannelse av elektrisk energi ved normal temperatur og normalt trykk ved bruk av vann og luft. I tillegg kan apparatet selv bli ladet ved normal temperatur og normalt trykk. Videre vil vekten for apparatet ifølge oppfinnelsen være bare ca. 20 %

av vekten for en vanlig blyakkumulator.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for dannelse av elektrisk energi, karakterisert ved at det tilveiebringes en elektrolytt som omfatter en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning som inneholder et ammoniumkompleks med et sentralt metallatom valgt fra gruppen bestående av sink, kobolt, nikkel, mangan og sølv, at det tilveiebringes en negativ pol som omfatter et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av en aluminium-sinksammensetning, en aluminium-mangansammensetning, en aluminium-koboltsammensetning, en aluminium-nikkelsammensetning og en aluminium-sølvsammensetning, at det tilveiebringes en positiv pol som omfatter en karbonstav, hvorav en del er omgitt av et element valgt fra gruppen bestående av metalloksyd og et organisk materiale, som er såvel oksyderbart som reduserbart, og en annen del av karbonstaven er omgitt av et anodisk stoff, at ammoniumkomplekset dekomponeres fra elektrolytten på overflaten til det elektriske legeme for dannelse av nascent hydrogen, og at det nascente hydrogen reagerer med oksygen på flaten til det elektriske legeme.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at konsentrasjonen av ammoniakk i den ammoniakalske, alkaliske vandige oppløsning er mellom 0,1 og 5 vektprosent.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten gjennomføres ved en temperatur mellom 10 og 40°C.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at metalloksydet er manganoksyd.

5. Fremgangsmåte ifølge kravl, karakterisert ved at det organiske materiale er pyrogallol.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anodiske stoff er en sammensetning som inneholder mangandioksyd, grafitt og ammoniumklorid.

7. Apparat for dannelse av elektrisk energi, karakterisert ved at det omfatter som en positiv pol, en karbonstav, hvorav en del er omgitt av et element valgt fra gruppen bestående av metalloksyder og et organisk materiale, som er såvel oksyderbare som reduserbare, og en annen del av karbonstaven er omgitt av et anodestoff, at den negative pol omfatter 1) en sinksylinder som omgir omkretsen og bunnen til det anodiske stoff, idet innerflaten til sinksylinderen er foret med et luftpermeabelt materiale, 2) et elektrisk legeme som velges fra gruppen bestående av en aluminium-sinksammensetning, en aluminium-mangansammensetning, en aluminium-koboltsammensetning, en aluminium-nikkelsammensetning og en aluminium-sølvsammensetning, som omgir omkretsen til sinksylinderen, 3) en rustfri stålduk som omgir omkretsen til det elektriske legeme, og 4) som en negativ endepol, en aluminiumstav i kontakt med den rustfrie stålduk, en beholder for omslutning av de positive og negative poler, og en elektrolytt i kontakt med den negative pol, hvilken elektrolytt omfatter en ammoniakalsk, alkalisk vandig oppløsning som inneholder et ammoniumkompleks med et sentralt metallatom valgt fra gruppen bestående av sink, kobolt, nikkel, mangan og sølv.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at den negative pol videre omfatter en aluminiumplate som omgir omkretsen til den rustfrie stålduk.

9. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at metalloksydet er manganoksyd.

10. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at det organiske materiale er pyrogallol.

11. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at det anodiske stoff er en sammensetning som inneholder mangandioksyd, grafitt og ammoniumklorid.

12. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at det luftpermeable materiale er et element valgt fra gruppen bestående av Japan-papir, en porøs eller perforert syntetisk harpiks og en vevet eller ikke vevet fibrøs vevnad.