DE102004053938A1 - Electrochemical cell comprises used as a battery, fuel cell or superconductor an anode, a solid or liquid electrolyte and a cathode - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die beschriebene Entwicklung liegt auf dem Gebiet der Elektrochemie und der Hochfrequenztechnik (Mikrowellentechnologie). Sie ist für die Verwendung an elektrochemischen Zellen aller Art, d.h. galvanische Elemente (Primär- und Sekundärelemente wie Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen) und Elektrolysezellen geeignet. Die Erfindung befasst sich mit der Entwicklung einer Mikrowellentechnologie zur Energiedissipation in solchen elektrochemischen Zellen.The described development is in the field of electrochemistry and high-frequency engineering (microwave technology). She is for use on electrochemical cells of all kinds, i. galvanic elements (Primary- and secondary elements such as batteries, accumulators and fuel cells) and electrolysis cells suitable. The invention is concerned with the development of microwave technology for energy dissipation in such electrochemical cells.
Der gegenwärtige Stand der Technik soll hier zunächst fokussiert auf die Brennstoffzellentechnologie dargestellt werden. Grund dafür ist, dass die Erfinder hier das grösste Anwendungspotential ihrer Entwicklung sehen. Viele der gemachten Aussagen sind auch auf andere elektrochemische Zellen anwendbar.Of the current The state of the art should be here first focused on fuel cell technology. the reason for this is that the inventors here the greatest application potential of their development see. Many of the statements made are also applicable to other electrochemicals Cells applicable.
Moderne Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC)-Aggregate bestehen aus Einzelzellen mit einer aktiven Zellfläche zwischen etwa 5-500 cm2 und werden bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 90°C betrieben. Die Anode besteht aus Kohlenruss-geträgerten Platin-Legierungen (meistens Pt, Pt-Ru), die Kathode aus Kohlenrussgeträgerten Platin. Der Polymerelektrolyt ist ein chemisch und thermisch beständiges Polymer mit protonenabspaltenden Seitengruppen (meistens Sulfonate).Modern polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) aggregates consist of single cells with an active cell area between about 5-500 cm 2 and are operated at temperatures between room temperature and 90 ° C. The anode consists of carbon black-supported platinum alloys (mostly Pt, Pt-Ru), the cathode of carbon black-supported platinum. The polymer electrolyte is a chemically and thermally stable polymer with proton-donating side groups (mostly sulfonates).
Stand der Technik im automobilen Bereich sind PEMFC-Aggregate, die mit reinem Wasserstoff (H2) aus Metallhydrid-, Druck- und Cryo-Flüssigspeichern oder mit Reformatgas (H2, CO2, CO) versorgt werden. Das Reformatgas wird beispielsweise aus Erdgas gewonnen. Erdgasflüssigspeicher sind im Gegensatz zu Wasserstoffspeichern einfach zu bauen, kostengünstig, besitzen ein geringes Gewicht und haben eine hohe Energiedichte. Ein Nachteil der Technik ist die Umsetzung zu klimaschädlichen Produkten (Kohlendioxid, CO2) und die aufwändige Zusatztechnik, da neben dem Reformer eine Entschwefelung, ein Shift-Konverter und eine Kohlenmonoxid (CO)-Reinigungsstufe benötigt wird.The state of the art in the automotive sector are PEMFC units which are supplied with pure hydrogen (H 2 ) from metal hydride, pressurized and cryogenic liquid storages or with reformate gas (H 2 , CO 2 , CO). The reformate gas is recovered, for example, from natural gas. Natural gas storage systems, in contrast to hydrogen storage systems, are easy to build, cost-effective, light in weight and have a high energy density. A disadvantage of the technique is the conversion to climate damaging products (carbon dioxide, CO 2 ) and the elaborate additional technology, since in addition to the reformer desulfurization, a shift converter and a carbon monoxide (CO) purification stage is needed.
Eine Alternative zur Wasserstoffbrennstoffzelle könnte die Direkt-Brennstoffzelle, in der Alkohole wie Methanol und Ethanol, Dimethylether oder andere Brennstoffe verwendet werden, bieten. Aufgrund der im Vergleich zum Wasserstoffbetrieb niedrigeren Leistungsdichte und des schlechteren Wirkungsgrades wird die direkte Verbrennung organischer Energieträger im Bereich mittlerer bis hoher Leistung (100W-100 kW) derzeit als uninteressant betrachtet. Könnten die Nachteile jedoch aufgehoben werden, zeigt dieses Konzept bedeutende Vorteile gegenüber der H2-Techologie: Reformator und Gasaufbereitung würden völlig entfallen und die Speicherung und Betankung würde sich durch bereits bestehende Lösungen und Infrastrukturen stark vereinfachen.An alternative to the hydrogen fuel cell could be the direct fuel cell, in which alcohols such as methanol and ethanol, dimethyl ether or other fuels are used. Due to the lower power density compared to hydrogen operation and the lower efficiency, the direct combustion of organic energy sources in the range of medium to high power (100W-100 kW) is currently considered uninteresting. However, if the shortcomings could be removed, this concept offers significant advantages over H 2 technology: reformer and gas treatment would be completely eliminated and storage and refueling would be greatly simplified by existing solutions and infrastructures.
Ein bisher ungelöstes Problem stellt die rasche Inbetriebnahme des Fahrzeugs bei sehr niedrigen Temperaturen dar. Die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten ist zu gering um ausreichend Energie für den Start zur Verfügung zu stellen. Eine Pufferbatterie mit ausreichender Kapazität muss diese Phase überbrücken.One previously unresolved Problem is the rapid commissioning of the vehicle at very much low temperatures. The ionic conductivity of the electrolyte is too low to have enough energy to start put. A backup battery with sufficient capacity needs this Phase over.
Im Bereich niedriger Leistung (0.1 W-100 W), spielt die Komplexität des Systems und das Volumen eine größere Rolle, so dass hier die Direkt-Brennstoffzelle, besonders die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, vorteilhaft ist. Haupteinsatzgebiete solcher Zellsysteme sind mobile Elektronik, wie Mobiltelefone und Laptops. Auf dem Markt sind bisher keine serienreifen Systeme erhältlich, werden jedoch von einigen Herstellern im Laufe der nächsten Jahre in Aussicht gestellt. Die Wirkungsgrade der Systeme liegen im Bereich um 20 %. Der deutsche Entwickler Smart Fuel Cell/Brunnthal hat bereits eine Serie von Prototypen im Leistungsbereich 25-50 W präsentiert. Gegenüber wiederaufladbaren Sekundärelementen wird eine um den Faktor 2-3 längere Betriebszeit bei gleichem Volumen erreicht. Die Regenerierung durch Austausch des Methanoltankes kann schnell und netzunabhängig erfolgen. Nachteile der Systeme sind der geringe Wirkungsgrad und hohe Kosten für die Edelmetallkatalysatoren (Platin, Ruthenium). Im Leistungsbereich unter 10 W stellen die peripheren Komponenten, wie z. B. Pumpen, für eine weitere Volumen- und Kostenreduktion ein grosses Hindernis dar. Eine verbesserte Aktivierung des Katalysators könnte wesentliche Vorteile bringen.in the Low power range (0.1 W-100 W), plays the complexity of the system and the volume matters more, so here's the direct fuel cell, especially the direct methanol fuel cell, is advantageous. Main applications of such cell systems are mobile Electronics, such as mobile phones and laptops. In the market so far no series-ready systems available, However, some manufacturers will do so over the next few years provided in promising. The efficiencies of the systems are in the range by 20%. The German developer Smart Fuel Cell / Brunnthal already has a series of prototypes in the power range 25-50 W presented. Rechargeable opposite Secondary elements becomes a factor of 2-3 longer Operating time reached at the same volume. Regeneration through replacement The methanol tank can be done quickly and independently of the mains. Disadvantages of Systems are the low efficiency and high cost of the noble metal catalysts (Platinum, ruthenium). In the power range below 10 W, the peripheral components, such. As pumps, for a further volume and Cost reduction is a major obstacle. An improved activation of the catalyst could bring significant benefits.
Mängel bisher bekannter AusführungenDeficiencies of previously known designs
Die in Bezug auf die Erfindung wichtigsten Mängel bekannter Ausführungen sind
- – lange Inbetriebnahmezeit bei niedrigen Temperaturen
- – geringe Toleranz gegenüber Katalysatorgiften wie Kohlenmonoxid (CO), schlechte Regenerierungsfähigkeit (Entgiftung)
- – niedrige Leistungsdichten bei der Direktverbrennung organischer und anorganischer Brennstoffe, insbesondere von Methanol
- – hohe Verluste durch Durchtrittspolarisation bei niedrigen Katalysatorbelegungen an den Elektroden
- – hoher Gewicht- und Volumenverbrauch von Zusatzsystemen zur Reaktandenaufbereitung und Energiepufferung.
- - long commissioning time at low temperatures
- - low tolerance to catalyst poisons such as carbon monoxide (CO), poor regeneration capacity (detoxification)
- Low power densities in the direct combustion of organic and inorganic fuels, especially methanol
- - High losses through penetration polarization with low catalyst occupancy at the electrodes
- - High weight and volume consumption of additional systems for reactant processing and Energy buffering.
Das hier vorgestellte Konzept könnte Fortschritte in mehreren Anwendungsgebieten anstossen, indem es sowohl die CO-Toleranz eines PEMFC-Aggregates herauf setzt und damit die Anforderungen an die Qualität des Reformatgases verringert, als auch die Leistungsdichte von Direkt-Brennstoffzellen verbessert. Ausserdem stellt es eine Lösung für den Start von galvanischen Elementen bei niedrigen Temperaturen dar. In Elektrolysezellen kann die Durchtrittspolarisation verringert und der Abtransport von Reaktionsprodukten verbessert werden.The here presented concept could Progress is being made in several areas of application by: both increases the CO tolerance of a PEMFC aggregate and thus the demands on the quality of the reformate gas, as well as the power density of direct fuel cells improved. It also provides a solution for the launch of galvanic Elements at low temperatures. In electrolysis cells can reduces the Durchtrittspolarisation and the removal of reaction products be improved.
Durch die gezielte thermische Aktivierung der katalytischen Elektrode von Brennstoffzellen gegenüber Membran und Zellengehäuse erhält man sowohl eine effizientere als auch schnellere Erwärmung. Die effektive Arbeitstemperatur der Zelle kann dadurch über den bisher möglichen Temperaturen liegen. Dadurch erreicht man eine Erhöhung der Leistungsdichte von Zell-Stacks und eine erhöhte CO-Toleranz. Da auch die Edukte und Produkte der Zellreaktion, z.B. Wasser und Alkohole hohe dielektrische Verluste im Mikrowellenbereich haben, kann die Mikrowellenenergie auch zur Verdampfung von überschüssigem Reaktionswasser auf der Elektrode z.B. bei sehr hohen Stromdichten verwendet werden. Um diesen Mehrfachnutzen zu erzielen ist eine elektronische Stacküberwachunng, die die Mikrowellenquelle schaltet, sinnvoll.By the targeted thermal activation of the catalytic electrode from fuel cells Membrane and cell housing receives one both more efficient and faster heating. The effective working temperature of the cell can thereby over the previously possible Temperatures are. This achieves an increase in power density of cell stacks and increased CO tolerance. Since also the educts and products of the cell reaction, e.g. water and Alcohols have high dielectric losses in the microwave range, The microwave energy can also evaporate excess water of reaction on the electrode e.g. be used at very high current densities. Around To achieve this multiple benefit is an electronic stack monitoring, which switches the microwave source makes sense.
Technische AufgabenstellungTechnical task
Entwicklung eines kostengünstigen, effizienten Einkoppelungssystems von Mikrowellen (MW) in elektrochemische Zellen zur gezielten Aktivierung einzelner Komponenten, insbesondere der Elektroden. Ziel ist die Verbesserung der Gesamtbilanz der mit diesem Zusatzsystem erweiterten Energiequelle, indem die Leistungsdichte erhöht und/oder die Systemkomplexität/-kosten und die Inbetriebnahmezeit vermindert werden. Eine wichtige Forderung besonders mobiler Energiequellen ist eine volumen- und gewichtsparende Bauweise. Aus diesem Grund ist eine gute Integrationsfähigkeit in elektrochemische Zellen eine weitere wichtige Anforderung.development a cost effective, efficient coupling system from microwaves (MW) to electrochemical Cells for targeted activation of individual components, in particular the electrodes. The goal is to improve the overall balance of the This ancillary system extended energy source by adding power density elevated and / or the system complexity / cost and the commissioning time can be reduced. An important requirement particularly mobile energy sources is a volume and weight-saving Construction. For that reason is a good integration ability in electrochemical cells another important requirement.
Technische Lösung der AufgabenstellungTechnical solution of task
Um
das Verfahren der Mikrowellenerwärmung
einer elektrochemischen Zelle unter den in der technischen Aufgabenstellung
genannten Anforderungen im Betrieb zu realisieren, wurde ein Konzept für die Einspeisung
der Hochfrequenzstrahlung entwickelt. Die Grundidee hierfür ist, die
Elektroden der elektrochemischen Zelle als Antennen zur Abstrahlung
der Hochfrequenz einzusetzen. Diese bifunktionale Elektrode wird
im weiteren als Stromkollektorantenne (SKA) bezeichnet. Das eine
solche SKA eine gleichmässige
Erwärmung über die
gesamte Elektrodenfläche
erzielen kann und gleichzeitig kein zusätzliches Volumen und Gewicht
verursacht, konnte in einer Simulation (
Für die Einkopplung
von Mikrowellenenergie in die SKA können Kopplungssysteme aus Hohlleitern,
Parallelleitern, Koaxialleitern und Mikrostreifenleitern (micro
stripes) verwendet werden. Besonders effizient ist die Einkopplung
von einem Hohlleiter in die Zelle mittels einem Koaxialkopplungsstift (
Für die Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung sind Quellen aus dem Bereich der Hochfrequenzerzeugung geeignet, wie sie zum Beispiel in der Nachrichten-, Kommunikations-, Radar- und Mikrowellentechnik verwendet werden. Als Hochfrequenzquelle sind prinzipiell alle Mikrowellengenerator-Arten einsetzbar, als praktisch haben sich hauptsächlich das Magnetron und Halbleiteroszillatoren auf Basis von Hochfrequenztransistoren oder Gunn-Dioden erwiesen, da sie einen hohen Wirkungsgrad und einfachen Aufbau haben und für einen weiten Leistungsbereich zur Verfügung stehen.For the generation Electromagnetic radiation sources are from the field of Radio frequency generation, as described, for example, in the News, Communication, radar and microwave technology can be used. As a high-frequency source are in principle all microwave generator types can be used, as practical have mainly the magnetron and semiconductor oscillators Basis of high-frequency transistors or Gunn diodes proved they have high efficiency and simple construction and for one wide power range available stand.
Die
Mikrowellenenergie kann in Pulsen auf die Elektroden abgegeben werden,
um kurzzeitige Temperaturspitzen zu erzeugen. Sinnvoll sind solche Temperaturspitzen
beispielsweise um Katalysatorgifte wie CO, die an den Pt-Katalysatoren
von PEMFC stark adsorbieren, zu desorbieren ohne die Betriebstemperatur
dauerhaft über
den für
eine effiziente Funktion der Brennstoffzelle zulässigen Höchstwert zu heben. Im Aufheizexperiment
konnte gezeigt werden, das bei Heizraten von über 200 K/s Temperaturänderungen
von mindestens 50 K innerhalb von weniger als 10 s wieder auf ihren
Ausgangswert zurückkehren
(
Aufheizverhalten im MikrowellenfeldHeating behavior in the microwave field
Der
Effekt von Mikrowellen (MW) mit einer Frequenz von 2.45 Ghz auf
eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
(PEMFC) ist in
Simulation der Feldstärkeverteilung einer MEA-SKA AnordnungSimulation of the field strength distribution an MEA-SKA arrangement
Hierzu
wurde eine planare Antennenform, wie sie in
In
Für die Simulation
wurde eine Finite-Differenzen-Software zur Berechnung elektromagnetischer
Felder verwendet. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine MW-Einkopplung an der
oberen Katalysatorelektrode simuliert und die untere Antenne, wie
sie in
Die
Die Feldverteilung in der oberen Katalysatorschicht direkt unterhalb der Antenne zeigt, dass sich Mikrowellen mit dieser Anordnung über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilen lassen, jedoch vor allem an der Stelle der Einkopplung und im Zentrum der Antenne starke Feldüberhöhungen vorliegen. Die Leistungsdichte (als Wärme dissipierte Leistung) zeigt dasselbe Bild, da die absorbierte Leistung proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke E2 ist.The field distribution in the upper catalyst layer directly below the antenna shows that microwaves can be distributed with this arrangement over the entire electrode surface, but especially at the point of coupling and in the center of the antenna strong field peaks are present. The power density (heat dissipated power) shows the same image because the absorbed power is proportional to the square of the electric field strength E 2 .
In der Elektrolytmembran ist nur an der Einkoppelstelle und im Zentrum der Antenne eine Absorption von Mikrowellen festzustellen. Grund hierfür ist der vergleichsweise geringe dielektrische Verlust der verwendeten Elektrolytmembran. Das hat zur Folge, dass Mikrowellenstrahlung durch die Membran auf die untere Katalysatorschicht gelangt und hier ebenfalls absorbiert werden kann. Das Muster der Leistungsdichte ist dem der oberen Katalysatorschicht sehr ähnlich.In the electrolyte membrane is only at the coupling point and in the center the antenna to detect an absorption of microwaves. reason this is the comparatively low dielectric loss of the used Electrolyte membrane. As a result, microwave radiation passes through the membrane on the lower catalyst layer and can also be absorbed here. The pattern of power density is very similar to the upper catalyst layer.
Die Simulation zeigt, dass einen flächige Verteilung der Mikrowellen in einer sehr dünnen Anordnung möglich ist. Um eine gleichmäßigere Feldverteilung zu erreichen ist eine Optimierung der Antennenform nötig. Hierbei kann die Verwendung der zweiten Antenne an der unteren Katalysatorschicht helfen. Dreht man diese um 90° oder ordnet sie versetzt an, so ist aus der Summe der beiden Felder bereits eine wesentlich homogenere Verteilung zu erwarten.The Simulation shows that a plane Distribution of microwaves in a very thin arrangement is possible. For a more even field distribution To achieve an optimization of the antenna shape is necessary. in this connection may be the use of the second antenna at the lower catalyst layer help. If you turn this by 90 ° or If it arranges offset, then the sum of the two fields already exists to expect a much more homogeneous distribution.
Die Anforderung, eine flächige gleichmäßige Bestrahlung von dünnen Systemen mit Mikrowellen konnte bereits mit einer einfachen Geometrie erfüllt werden. In der folgenden Simulation soll gezeigt werden, dass die Anordnung auch effizient auf einen kompletten Zell-Stack übertragen werden kann.The Requirement, a two-dimensional uniform irradiation of thin Systems with microwaves could already use a simple geometry be fulfilled. In the following simulation we want to show that the arrangement can also be efficiently transferred to a complete cell stack.
Zur Erzeugung von Mikrowellen der Frequenz 2.45 GHz lässt sich ein Magnetron einsetzen. Die Standardübertragungsleitung ist in der Regel ein Luft gefüllter Hohlleiter. Hierbei ist aber eine Mindestbreite von 86 mm notwenig um die Strahlung ungedämpft zu leiten und es breitet sich ein Wellenmuster mit einer Wellenlänge λ von ca. 12 cm aus. Um aus solch einem System Mikrowellen auszukoppeln, können in Abständen von λ/2 Koaxialstifte eingebracht werden. Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstacks, in dem die Abstände der einzelnen Zellen im mm-Bereich liegen, ist ein Abstand von 6 cm jedoch zu groß. Füllt man den Hohlleiter mit einem für MW transparenten Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, so verringert sich die Wellenlänge und die Anzahl von Auskoppelstiften pro Längeneinheit kann erhöht werden.To generate microwaves of frequency 2.45 GHz, a magnetron can be used. The standard transmission line is usually an air-filled waveguide. Here, however, a minimum width of 86 mm is necessary to direct the radiation undamped and it propagates a wave pattern with a wavelength λ of about 12 cm. To decouple microwaves from such a system, coaxial pins can be inserted at intervals of λ / 2. For the operation of a fuel cell stack, in which the distances of the individual cells are in the mm range, however, a distance of 6 cm too large. Filling the waveguide with an MW transparent material of high dielectric constant reduces the wavelength and increases the number of decoupling pins per unit length.
Neuigkeitsvorsprung, gewerbliche SchutzrechteInnovation advantage, commercial Property rights
Eine Patent- und Literaturrecherche ergab, dass Veröffentlichungen zur Aufbereitung von Brennstoffzellengasen der Brennstoffzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades vorhanden sind [1-3].A Patent and literature research revealed that publications for reprocessing of fuel cell gases of the fuel cell to increase the Efficiency are available [1-3].
Das Patent von Sharivker et al. [2,3] befasst sich mit der Aufbereitung von Brennstoffzellengasen ausserhalb und innerhalb der Brennstoffzelle zur Herabsetzung der Durchtrittspolarisation. Es wird keine Energiebilanz des Gesamtsystems angegeben, so das keine Angabe über die effektive Verbesserung des Wirkungsgrades möglich ist. Die Aktivierung der Gase erfolge auf thermische Art durch Bildung energetisch angeregter und ionisierter Spezies wie Wasserstoff-, Sauerstoff- und Alkyl-Radikalen sowie Protonen in Plasmen und Lichtbögenentladungen an starken Mikrowellensuszeptoren (Materialien mit hohem dielektrischen Verlust), besonders Russ.The Patent by Sharivker et al. [2,3] deals with the treatment of fuel cell gases outside and inside the fuel cell to reduce the penetration polarization. There will be no energy balance of the overall system, so that no indication of the effective improvement of the efficiency is possible. The activation The gases take place in a thermal way by formation energetically excited and ionized species such as hydrogen, oxygen and alkyl radicals as well as protons in plasmas and arcing discharges at strong microwave susceptors (High dielectric loss materials), especially soot.
Im Unterschied dazu befasst sich die eigene Entwicklung mit Bedingungen, bei denen es nicht zur Ausbildung von Plasmen und Entladungen und somit nicht zur Aktivierung derselben auf genannte Weise kommen kann. Nach Ansicht der Verfasser führen Bedingungen, bei denen die Durchschlagsfestigkeit der Materialien überschritten wird langfristig zur Zerstörung der Elektroden.in the In contrast to this, one's own development deals with conditions, where there is no training for plasmas and discharges and thus not to activate the same in the manner mentioned can. According to the authors, conditions exist where: The dielectric strength of the materials is exceeded in the long term to destruction the electrodes.
Ziel ist eine thermische Aktivierung der Zellkomponenten durch Abstrahlung innerhalb der Zelle. Weiterhin ist im Gegensatz zum oben genannten Patent eine integrierte Lösung entwickelt worden, d.h. die Mikrowellen abstrahlende Einheit befindet sich in der Zelle und kann aus Gründen der Gewichts- und Volumenersparnis mit dem Stromkollektor kombiniert werden (SKA). Dadurch ist die Anordnung besonders für Systeme die aus einer grösseren Anzahl von Einzelzellen (Zellstapel, Stacks) bestehen, geeignet.aim is a thermal activation of the cell components by radiation inside the cell. Furthermore, in contrast to the above Patent an integrated solution been developed, i. the microwave radiating unit is located in the cell and can be for reasons of weight and volume savings combined with the current collector (SKA). This is the result Arrangement especially for Systems from a larger Number of single cells (cell stacks, stacks) exist, suitable.
Ausserdem existieren wissenschaftliche Publikationen, die sich mit dem Einfluss von Mikrowellen auf die Kinetik von elektrochemischen Reaktionen beschäftigen. Compton et al. [4] untersuchten beispielsweise den Einfluss lokaler Überhitzung an Mikroelektroden im Mikrowellenfeld.Moreover exist scientific publications that deal with the influence of microwaves on the kinetics of electrochemical reactions employ. Compton et al. For example, [4] investigated the influence of local overheating on microelectrodes in the microwave field.
Den Verfassern sind darüberhinaus keine weiteren Veröffentlichungen zum Thema ihrer Erfindung bekannt. Insbesondere wurde der Effekt von Mikrowellen auf die Funktion von Elektroden in galvanischen Elementen und Elektrolysezellen bisher nicht untersucht. Dementsprechend bestehen nach Wissen der Verfasser keine weiteren durch die eigene Erfindung berührten Schutzrechte dritter.The Writers are beyond no further publications known to the topic of their invention. In particular, the effect became from microwaves to the function of electrodes in galvanic Elements and electrolysis cells have not been investigated. Accordingly According to the author's knowledge, there are no further ones by own Touched invention Third party property rights.
Anwendungsbeispiel 1Application example 1
sDie
elektrische Leistung des beschriebenen Anwendungsbeispiels liegt
im Bereich von Brennstoffzellen-Stacks, wie sie z.B. in der Automobilindustrie
zum Einsatz kommen (1-100 kW).
Ein Magnetron mit einer Ausgangsleistung von 10 bis 1000 W erzeugt die MW-Energie für den kompletten Stack, die über den gefüllten Hohlleiter transportiert wird. In dem Hohlleiter befinden sich in regelmäßigen Abständen streifenförmige Koppelstifte, die die MW-Strahlung in die Brennstoffzelle übertragen. Hierbei sind zwei Antennen pro Zelle vorgesehen. Diese agieren ebenfalls als Stromkollektoren für die Reaktion und sind in Serie verschaltet (Anode (Zelle 1) – Kathode (Zelle 2) usw.). An den beiden äußersten Elektroden wird die Gleichstromleistung für den elektrischen Verbraucher abgegriffen. Zur Trennung von MW-Strahlung und Gleichstrom sind passive elektronische HF-Filter ausreichend. Um periodisch MW-Strahlung an die Zellen übertragen zu können, ist eine Feldanpassung vorgesehen, die kontinuierlich die Feldmaxima verschiebt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Magnetron nicht gepulst werden muss und einen höheren Wirkungsgrad erreicht. An den Koppelstellen, an denen sich ein Feldmaximum befindet, werden für eine definiertes Zeitintervall MW eingestrahlt, bis sich durch die Feldanpassung ein Minimum über dem Koppelstift befindet. Hierdurch erreicht man eine pulsartige Einkopplung in die einzelnen Zellen ohne die Quelle pulsen zu müssen.One Magnetron with an output power of 10 to 1000 W generates the MW energy for the complete stack over the filled one Waveguide is transported. In the waveguide are at regular intervals strip-shaped coupling pins, which transmit the MW radiation into the fuel cell. Here are two Antennas per cell provided. These also act as current collectors for the reaction and are connected in series (anode (cell 1) - cathode (cell 2), etc.). At the two extreme Electrodes become the DC power for the electrical load tapped. For separation of MW radiation and DC passive electronic RF filters are sufficient. To periodically transmit MW radiation to the cells, is provided a field adaptation, which continuously the field maxima shifts. This method has the advantage that the magnetron does not need to be pulsed and achieves a higher efficiency. At the coupling points, where there is a field maximum, are for one defined time interval MW irradiated until the field adjustment a minimum over located the coupling pin. This achieves a pulse-like Coupling into the individual cells without having to pulse the source.
Die Stärke einer einzelnen Zelle bisher am Markt befindlicher Stacks beträgt etwa 4-5 mm; etwa 200 μm werden für die Kollektorelektroden beansprucht. Der Ersatz dieser herkömmlichen Elektroden durch die neue SKA verursacht also keine Vergrösserung der Zellstärke.The Strength a single cell hitherto on the market stacks is about 4-5 mm; about 200 microns be for claimed the collector electrodes. The replacement of this conventional Electrodes caused by the new SKA do not cause any enlargement the cell strength.
Zur Energiebilanz der Anordnung:To the energy balance of Arrangement:
Die von dem Brennstoffzellenaggregat abgegebene Leistung hängt von dem Brennstoff ab. Im Methanol/Luft-Betrieb wird eine Leistung von 0.25 W/cm2 erzielt, im Wasserstoff/Luft-Betrieb eine Leistung von 0.75 W/cm2.The power delivered by the fuel cell assembly depends on the fuel. In the methanol / air mode, an output of 0.25 W / cm 2 is achieved, in the hydrogen / air mode a quiet tion of 0.75 W / cm 2 .
Dauerbetrieb:Continuous operation:
Die benötigte Pulsenergie beträgt 10 mJ/cm2. Wird ein Wirkungsgrad von 50 % für das Magnetron und ein Wirkungsgrad von 50 % für die Einkopplung veranschlagt, ist die durchschnittlich benötigte Leistung 4 mW/cm2 bei einer Pulsfrequenz von 100 mHz. Der Anteil der zusätzlich benötigten Energie im Vergleich zur erzeugten Energie liegt also nur zwischen 0.5-1.6 %.The required pulse energy is 10 mJ / cm 2 . If an efficiency of 50% for the magnetron and an efficiency of 50% for the coupling is estimated, the average power required is 4 mW / cm 2 at a pulse frequency of 100 mHz. The proportion of additional energy required compared to the energy generated is therefore only between 0.5-1.6%.
Start-Up:Start-Up:
Es werden 50 mW/cm2 benötigt, um die katalytische Schicht im Bruchteil einer Sekunde von Umgebungstemperatur auf 100 °C zu bringen. Der Einfluss auf die Gesamtenergiebilanz ist bei Betriebszeiten von mehr als einer Minute bereits vernachlässigbar gering.It takes 50 mW / cm 2 to bring the catalytic layer from ambient to 100 ° C in a fraction of a second. The influence on the total energy balance is already negligible with operating times of more than one minute.
Unter Verwendung eines Magnetrons ist die Technologie kostengünstig und effizient. Die Kosten für eine kommerziell erhältliche 500 bis 900 W Einheit betragen weniger als 50 EUR. Der Wirkungsgrad eines solchen Magnetrons liegt bei > 50 %.Under Using a magnetron, the technology is inexpensive and efficient. The price for a commercially available 500 to 900 W units are less than 50 EUR. The efficiency such a magnetron is> 50%.
Weitere Einsparungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Reformatgasaufbereitung und Reinigung durch die Verbesserung der CO-Toleranz.Further savings arise in the field of reformate gas treatment and purification by improving CO tolerance.
Durch die Steigerung des Wirkungsgrades kann mit kleineren Brennstoffzellenaggregaten gearbeitet werden.By The increase in efficiency can be achieved with smaller fuel cell aggregates to be worked.
Durch die schnellere Start-Up-Zeit ist die Fahrbereitschaft bei niedrigen Temperaturen wesentlich schneller erreicht und eine zusätzliche Bordbatterie kann kleiner dimensioniert werden.By the faster start-up time is the driving readiness at low Temperatures reached much faster and an additional Onboard battery can be sized smaller.
Anwendungsbeispiel 2Application Example 2
Auch im Kleinstleistungsbereich (1 mW bis 10 W) galvanischer Elemente läßt sich die Anordnung implementieren. Dieser Leistungsbereich ist in der Kommunikations- und Computertechnik zu finden. Als Generatoren der elektromagnetischen Strahlung finden Halbleiterbauteile Anwendung (Halbleiteroszillatoren auf Basis von Hochfrequenztransistoren oder Gunn-Dioden).Also in the smallest power range (1 mW to 10 W) galvanic elements let yourself implement the arrangement. This power range is in the To find communication and computer technology. As generators of electromagnetic radiation find semiconductor devices application (semiconductor oscillators based on high-frequency transistors or Gunn diodes).
Moderne Mobiltelefone senden im Mikrowellenfrequenzbereich zwischen 900 und 2400 MHz, der auch für die Aktivierungsmethode geeignet ist. Die Anforderungen der Mikrowelleneinheit an die Frequenzstabilität der HF-Quellen ist wesentlich geringer als die der Sendeeinheit. In der Regel verfügen solche Telefone über 2 oder 3 Frequenzgeneratoren mit unterschiedlicher Ausgangsfrequenz.modern Mobile phones transmit in the microwave frequency range between 900 and 2400 MHz, which also for the activation method is suitable. The requirements of the microwave unit to the frequency stability the RF sources is much lower than that of the transmitting unit. As a rule, such Phones over 2 or 3 frequency generators with different output frequencies.
Literaturquellenliterature sources
- [1] O. Katsuya, N. Toru, H. Akira, Fuel Cell Power Generation System and its Starting Method, Publ.-# 2001 2103 49 A, Japanese Patent Office, Date of Publ. 03.08.2001.[1] O. Katsuya, N. Toru, H. Akira, Fuel Cell Power Generation System and its Starting Method, Publ. # 2001 2103 49 A, Japanese Patent Office, Date of Publ. 03.08.2001.
- [2] V. Sharivker, T. Honeycutt, S. Sharivker, Microwave Activation of Fuel Cell Gases, Publ.-# US 2003/0027021 A1, United States Patent Application, Date of Publ. 06.02.2003.[2] V. Sharivker, T. Honeycutt, S. Sharivker, Microwave Activation of Fuel Cell Gases, Publ. # US 2003/0027021 A1, United States Patent Application, Date of Publ. 06.02.2003.
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Claims (17)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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ID=36217210
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102004053938A Withdrawn DE102004053938A1 (en) | 2004-11-09 | 2004-11-09 | Electrochemical cell comprises used as a battery, fuel cell or superconductor an anode, a solid or liquid electrolyte and a cathode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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