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Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Energietechnik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft eine Brennstoffzelle, bei der chemische Energie in elektrische Energie gewandelt wird und damit zur Energieerzeugung dient.
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Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird erst chemische Energie durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt. Eine Brennstoffzelle ist jedoch geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine (VKM) wandelt sie chemische Energie direkt in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem schlechten Wirkungsgrad von VKM [Heinzel, A, Mahlendorf, F, Roes, J Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung, VDE Verlag, 2006].
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Brennstoffzellen bieten gegenüber Batterien oder Akkumulatoren den Vorteil, dass Energiespeicher (Größe des Brennstoffspeichers) und Leistungsabgabe (Größe der Zelle) voneinander getrennt sind. Im Vergleich zu Wasserstoff (Brennstoffspeicherung in Form von Druck-Speicherung oder als Metallhydride) sind dabei flüssige Brennstoffe wie Methanol, Ethanol, Ameisensäure, etc. besonders geeignet, da sie sich leicht lagern und transportieren und in einer Brennstoffzelle direkt verstromen lassen [Trappmann, C., Metallische Bipolarplatten für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, Dissertation, Cuvillier Verlag, 2010].
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Ein verbreiteter Typ von Brennstoffzellen (BZ) ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC - polymer electrolyte membrane fuel cell). Ihr Funktionsprinzip ist folgendes. Unter Verwendung von Brennstoff wie z.B. Wasserstoff (H2) oder anderen Wasserstoff-liefernden Medien wie z.B. Alkoholen auf der Anode und Sauerstoff (O2) auf der Kathode wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Als Elektrolyt dient dabei normalerweise eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion. Die Membran ist beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet, einer Mischung aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden), Platin und Nickel (PtNi-Elektroden), oder Platin und Cobalt (PtCo-Elektroden). Die Brennstoffzelle besteht darüber hinaus aus so genannten Kathoden- und Anoden-Bipolar(halb)platten, welche aus elektrisch leitfähigem Material mit kleinen Kanälen zur Medienverteilung gefertigt sind. Die Medien-Feinverteilung zur Elektrode sowie die elektrische Kontaktierung zwischen Elektrode und Bipolar(halb-)Platte erfolgt auf Anode und Kathode jeweils über eine poröse Gasdiffusionslage, die verschiedene Materialien und Beschichtungen aufweisen kann. Die Brennstoff-Moleküle dissoziieren an der Elektrode auf der Anodenseite. Der Elektronentransport ist dabei mit der Abgabe von Protonen verbunden. Diese Protonen (H+) diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert; zusammen mit den durch den Elektrolyt transportierten Protonen entsteht auf der Kathode Wasser [Heinzel, A, Mahlendorf, F, Roes, J Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung, VDE Verlag, 2006].
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Mit einem speziellen Typ der PEMFC, z.B. der Methanol-Brennstoffzelle (DMFC - direct methanol fuel cell), kann durch eine elektrochemische Umsetzung von (flüssigem) Alkohol, Wasser und Luft/Sauerstoff, Strom und Wärme erzeugt werden. Für die elektrochemische Dissoziation von Alkohol und der Entstehung von Protonen ist in diesem Fall auf der Anode zusätzlich Wasser erforderlich. Nach aktuellem Stand der Technik sind keine Membranen verfügbar, die einen Protonentransport zulassen und gleichzeitig vollständig alkoholdicht sind. Infolge dessen wird eine Wasser-Alkohol-Mischung verwendet, deren Alkoholanteil gering ist, so dass bezogen auf die aktive Fläche relativ geringer elektrochemischer Umsatz stattfindet [Aricò, A. S.; Baglio, V., Antonucci, V.: Direct Methanol Fuel Cells: History, Status and Perspectives, Wiley, 2009, 1-78] [Kamarudin S, Daud W, Ho S, Hasran U (2007), Journal of Power Sources 163: 743-754]. Um technisch relevante Stromstärken zu erreichen, muss eine entsprechend große aktive Fläche der Zelle vorgesehen werden. Für technisch relevante Spannungen werden mehrere Zellen elektrisch in Reihe zusammengeschaltet; man spricht von einem Brennstoffzellen-Stapel. Das gesamte Brennstoffzellensystem besteht aus dem Brennstoffzellenstapel und Peripheriekomponenten, wie dem Brennstofftank, einem externen Mischer zur Erzeugung und Durchmischung des Brennstoffgemisches (z.B. Wasser-Methanol-Gemisch), diversen Pumpen zum Transport der Flüssigkeiten, einem Kondensator und/oder einer Batterie, Lüfter oder Gebläse für die Kathode, Sensorik z.B. zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration im Gemisch, der Steuerungseinheit und einer externen Heizung zum Vorwärmen des Brennstoffzellenstapels beim Start.
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Neben der geringen Leistungsdichte infolge der Alkohol-Durchlässigkeit der Membranen ist die Entstehung von Gasblasen (z.B. Kohlenstoffdioxid infolge der elektrochemischen Reaktion von Alkohol mit Wasser unter Abgabe von Protonen) auf der Anodenseite ein Problem für den praktischen Einsatz der Niedertemperatur-Flüssigkeits-BZ. Die Blasen können die in den Bipolar(halb)platten eingebrachten Kanalstrukturen blockieren, wodurch eine Versorgung mit Brennstoff u.U. nicht mehr möglich ist und die Zellspannung zusammenbricht. [Ji M, Wei Z (2009) Energies 2: 1057-1106], [Argyropoulos P, Scott K, Taama WM (1999) Journal of Power Sources 79: 169-18]
Für den Fall, dass Blasen die Kanäle lokal blockieren, ist ein Abtransport der Blasen nur über eine sehr hohe Pumpleistung möglich. Da alle Zellen von außen gemeinsam über eine Pumpe versorgt werden, muss üblicherweise der gesamte BZ-Stapel in einem ungünstigen (Pump-) Betrieb gefahren werden, um die Blasen aus den einzelnen BZ abzutransportieren.
Kurze parallele Kanalstrukturen sind hier wenig geeignet, da hier sehr einfach Teilblockaden durch Blasen und Bypass-Strömungen eintreten können, die nur mit sehr hohen Pumpleistungen wieder behoben werden können. Daher werden lange Serpentinen-Kanäle verwendet, um zum einen eine gleichmäßige Versorgung über die Fläche zu erreichen und zum anderen die Gasblasen effektiv (ohne eine Bypass) infolge der gegenüber vielen kurzen, parallelen Kanalstrukturen höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten aus dem Kanal zu treiben [Wong C, Zhao T, Ye Q, Liu J (2005) J Electrochemical Society, 152(8): A1600-A1605], [Zhao T, Xu C, Chen R, Yang W (2009) Progress in Energy and Combustion Science 35: 275-292]. Durch die relativ große Kanallänge sind die Druckdifferenzen und damit die Pumpleistungen hoch, was den Gesamtwirkungsgrad des BZ-Systems reduziert. Zudem werden wie beschrieben für technisch relevante Spannungen mehrere Zellen elektrisch in Reihe zusammengeschaltet, was einer strömungstechnischen Parallelschaltung entspricht. In diesem Falle überträgt sich das Problem der parallelen Strömungsstrukturen einer Zelle auf den gesamten Zellstapel. D.h. auch beim Zellstapel können Teilblockaden und Bypassströmungen auftreten, die dann den Ausfall ganzer Zellen bewirken.
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Typischerweise wird das BZ-System oder der Brennstoffzellenstapel mit einer externen Pumpe für die Anode versorgt. Günstiger wäre eine individuelle Beaufschlagung der einzelnen Zellen mit jeweils einer Pumpe und zudem kurze, parallele Kanäle mit geringem Druckverlust innerhalb der Bipolar(halb)platte, welche individuell mit einem Volumenstrom beaufschlagt werden können, um Teilblockaden durch Gasblasen zu verhindern.
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Ein weiterer Schwachpunkt von Brennstoffzellen mit flüssigen alkoholischen Brennstoffen ist die starke Temperaturabhängigkeit der elektrochemischen Reaktion, was hauptsächlich auf die temperaturabhängige Aktivität der Katalysatoren und den konvektiven Wärmeabtransport durch die Wasser-Alkohol-Mischung der Anode zurückzuführen ist. Grundsätzlich erzeugt eine Alkohol-Brennstoffzelle aufgrund ihres schlechten Wirkungsgrades viel Wärme. Die Abwärme wird jedoch hauptsächlich über die Anodenströmung abgeführt (konvektiver Wärmetransport), so dass die Reaktivität der Katalysatoren begrenzt ist. [Scott K, Taama WM, Kramer S, Argyropoulos P, Sundmacher K (1999) Electrochimica Acta 45: 945-957] Insbesondere in der Startphase kann eine Alkohol-Brennstoffzelle ohne eine zusätzliche Heizung von außen nicht auf Betriebstemperatur gebracht werden. Die zusätzliche Heizung wird typischerweise elektrisch (z.B. über eine zentrale Vorheizung des Fluids oder des gesamten Zellstapels) erreicht, was wiederum den Wirkungsgrad des BZ-Systems verschlechtert. Vorteilhaft wäre eine individuelle Beheizung der Zellen oder der Zellstrukturen oder eine lokale Heizung des Fluids innerhalb eines Zellstapels, um Verluste durch Wärmeabtransport etc. gering zu halten. Dies ist nach aktuellem Stand der Technik ohne zusätzliche elektrische Heizelemente nicht möglich.
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Die genannten Nachteile verhindern bislang eine kommerziell erfolgversprechende technische Realisierung von Mini- oder Mikrobrennstoffzellen auf Basis flüssiger Brennstoffe, wie Methanol. Das DMFC-System EfoyComfort der Firma SFC Energy AG benötigt eine Startphase von 15 Minuten, in der das System elektrisch vorgeheizt wird. Das nicht in den Markt gebrachte DMFC-System Dynario von Toshiba umging dieses Problem mittels eines Li-Ionen-Akkus zur Überbrückung der Startphase, was sich ungünstig auf die Leistungs- und Energiedichte auswirkt. Beide (bislang einzigen realisierten) Systeme versorgen alle Zellen des Zellstapels über eine Fluid-Pumpe.
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Es sind verschiedene Anwendungen für den Einsatz von akustischen Oberflächenwellen bekannt. Neben Filtern und Sensoren sind unter anderem Anwendungen bekannt, die mittels akustischer Oberflächenwellen in Mikrofluidiksystemen die Durchmischung von Flüssigkeiten bewirken (K. Srithanran et al: Appl. Phys. Lett. 88, 054102 (2006). Dabei wird durch den sogenannten acoustic streaming-Effekt eine Strömung in der Flüssigkeit induziert.
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Auch bekannt sind Anwendungen zur Sortierung von Tropfen und Zellen mittels akustischer Oberflächenwellen (L. Schmid et al: Lab Chip. 2014, 14, 5/10-3/18)
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle anzugeben, die eine verbesserte Leistungsdichte zeigt.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besteht mindestens aus einem Schichtstapel, der mindestens aus einer Membran und um diese angeordnete Katalysator- und Elektrodenschichten und darauf angeordnete Gasdiffusionsschichten besteht, die wiederum von mindestens einer Anoden- und Kathodenschicht bedeckt sind, wobei die Anoden- und Kathodenschicht kanalartige Strukturen für den Transport von Fluiden aufweisen, und mindestens die Anodenschicht oder mindestens eine weitere Schicht auf der der Anodenschicht mit den kanalartigen Strukturen abgewandten Seite aus einem piezoelektrischen Material besteht oder mit einem piezoelektrischen Material beschichtet ist, und das piezoelektrische Material mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer elastischen Deformation aufweist, wobei jeweils Fluidzu- und - ableitungen sowie Zu- und Ableitungen für elektrischen Strom und weitere Vorrichtungselemente zur Funktion der Brennstoffzelle vorhanden sind.
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Vorteilhafterweise ist mindestens eine Elektrode aus einem piezoelektrischen Material zur Erzeugung einer elastischen Deformation in Form von akustischen Oberflächenwellen oder Volumenwellen vorhanden.
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Ebenfalls vorteilhafterweise besteht die Anodenschicht mit den kanalartigen Strukturen aus einem piezoelektrischen Material und weist mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle auf.
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Weiterhin vorteilhafterweise ist auf der der Anodenschicht mit den kanalartigen Strukturen abgewandten Seite mindestens eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material vorhanden, die mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle aufweist.
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Und auch vorteilhafterweise sind Anoden- und Kathodenschichten vorhanden, die auf einer Seite eine Anodenschicht und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathodenschicht aufweisen.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Vielzahl an Elektroden auf dem piezoelektrischen Material vorhanden ist, zur Erzeugung elastischer Deformationen, vorteilhafterweise zur Erzeugung mehrerer akustischer Oberflächenwellen, wobei noch vorteilhafterweise die Vielzahl an Elektroden zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen in unterschiedlicher Amplitudenstärke, Richtung und Art und Weise der Welle vorhanden sind.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle im Bereich des Einlasses des Fluids in die kanalartigen Strukturen vorhanden ist.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle entlang einer kanalartigen Struktur angeordnet ist, und/oder im Falle von einer Vielzahl von Elektroden zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen diese auch im Winkel um 90 ° zu den kanalartigen Strukturen angeordnet sind.
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Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Anodenschicht oder mindestens eine weitere Schicht auf der der Anodenschicht mit den kanalartigen Strukturen abgewandten Seite, die aus einem piezoelektrischen Material besteht oder mit einem piezoelektrischen Material beschichtet ist, mit mindestens einer zusätzlichen Schicht, noch vorteilhafterweise mindestens einer Dünnschicht, versehen ist.
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Von Vorteil ist es auch, wenn mindestens zwei zusätzliche Schichten vorhanden sind, die vorteilhafterweise aus SiO2 und einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, eine Brennstoffzelle anzugeben, die eine verbesserte Leistungsdichte zeigt.
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Erreicht wird dies durch eine Brennstoffzelle, die mindestens aus einem Schichtstapel aus einer Membran und um diese angeordnete Katalysator- und Elektrodenschichten und darauf angeordnete Gasdiffusionsschichten, die wiederum von mindestens einer Anoden- und Kathodenschicht bedeckt sind, besteht, wobei die Anoden- und Kathodenschichten kanalartige Strukturen für den Transport von Fluiden aufweisen.
Fluid- Zu- und -ableitungen sowie Zu- und Ableitungen für elektrischen Strom und weitere Vorrichtungselemente zur Funktion der Brennstoffzelle sind ebenfalls vorhanden.
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Erfindungsgemäß besteht mindestens die Anodenschicht oder mindestens eine weitere Schicht auf der der Anodenschicht mit den kanalartigen Strukturen abgewandten Seite, die mit der Anodenschicht verbunden ist, aus einem piezoelektrischen Material oder die Anodenschicht oder die weitere Schicht ist mit einem piezoelektrischen Material beschichtet. Das piezoelektrische Material weist dabei mindestens eine Elektrode auf, die vorteilhafterweise eine fingerartige Struktur hat, und zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle dient.
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Vorteilhafterweise besteht die Anodenschicht aus einem piezoelektrischen Material und weist auf der Seite der kanalartigen Strukturen mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle auf.
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Im Falle des Vorhandenseins nur einer Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle ist diese vorteilhafterweise im Bereich des Einlasses des Fluides in die kanalartigen Strukturen der Anode auf der Seite mit den kanalartigen Strukturen oder auch auf der weiteren Schicht auf der abgewandten Anodenseite angeordnet.
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Im Falle des Vorliegens eines Stapels aus Brennstoffzellen kann die Anodenschicht auf ihrer Rückseite gleichzeitig die Kathodenschicht aufweisen. Dies sind dann die aus dem Stand der Technik bekannten Kathoden- und AnodenBipolar(halb)platten. Alle oder einzelne der im Schichtstapel vorhandenen Schichten weisen solche mechanische Festigkeiten oder Schichtdicken auf, dass der jeweilige Schichtstapel mechanisch stabil ist. Dabei können vor allem die Katalysatoren, die Gasdiffusionslagen und/oder die Anoden/Kathoden-Schichten plattenförmig und für sich jeweils mechanisch stabil sein.
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Erfindungsgemäß vorteilhafterweise sind eine Vielzahl an Elektroden auf dem piezoelektrischen Material vorhanden, die auch eine Vielzahl an akustischen Oberflächenwellen erzeugen. Dabei können die Vielzahl an akustischen Oberflächenwellen alle gleichartig sein oder sich in ihrer Amplitudenstärke, Richtung und Art und Weise der Welle unterscheiden.
Dabei ist es ebenfalls erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn die mindestens eine Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle entlang einer kanalartigen Struktur angeordnet ist, und/oder im Falle von einer Vielzahl von Elektroden zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle diese auch im Winkel um 90 ° zu den kanalartigen Strukturen angeordnet sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Elektroden zur Erzeugung von elastischen Deformationen, wie beispielsweise zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen oder Volumenwellen im Bereich der Anode von Brennstoffzellen mit flüssigem Brennstoff wird eine elastische Deformation der Wände der kanalartigen Strukturen realisiert, indem beispielsweise eine akustische Oberflächenwelle (SAW, engl. surface acoustic wave), eine Schallwelle in den flüssigen Brennstoff oder das flüssige Brennstoffgemisch abstrahlt. Diese Schallwelle ist gleichzeitig eine Druckwelle, die im flüssigen Brennstoff oder im flüssigen Brennstoffgemisch über den acoustic streaming-Effekt eine Strömung induziert und so den Transport und das Mischen des flüssigen Brennstoffs oder des flüssigen Brennstoffgemischs in den kanalartigen Strukturen der Anode und/oder Kathode realisiert. Der flüssige Brennstoff oder das flüssige Brennstoffgemisch bewegt sich dabei hauptsächlich in Richtung des Wellenvektors der abgestrahlten Druckwelle. Der flüssige Brennstoff oder das flüssige Brennstoffgemisch ist dabei das Fluid, das in den kanalartigen Strukturen der Anode bewegt, durchmischt, erwärmt und von Blasen möglichst befreit werden soll. Somit wird ein vergleichmäßigter Transport des Fluids realisiert.
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Durch die elastische Deformation der Wände der kanalartigen Strukturen wird generell und individuell lokal verteilt auf das Fluid in den kanalartigen Strukturen über den acoustic streaming-Effekt eine Kraft ausgeübt, die einerseits zu einer sehr effektiven Durchmischung des Fluids führt und gleichzeitig wird die mit Methanol versetzte rückgeführte Anodenströmung und der Konzentrationsgradient aufgrund der elektrochemischen Reaktion reduziert und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle erhöht.
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Zudem ist über den acoustic streaming-Effekt eine individuell gesteuerte Versorgung jeder einzelnen Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel mit flüssigem Brennstoff oder flüssigem Brennstoffgemisch möglich.
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Von besonderer Bedeutung ist auch, dass durch das Erzeugen einer akustischen Schallwelle, die in den flüssigen Brennstoff oder das flüssige Brennstoffgemisch abstrahlt, auch eine Heizleistung direkt an dem Ort der elektrochemischen Reaktion des flüssigen Brennstoffs oder des flüssigen Brennstoffgemisches eingebracht wird, wodurch die elektrochemische Reaktion aktiviert und begünstigt wird, wodurch eine höhere Leistungsdichte, ein höherer Gesamtwirkungsgrad und ein schnelles Starten der Brennstoffzelle erreicht wird.
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Die Heizleistung in den flüssigen Brennstoff oder das flüssige Brennstoffgemisch wird durch die Absorption der akustischen Energie im flüssigen Brennstoff oder im flüssigen Brennstoffgemisch (z.B. aufgrund der viskosen Dämpfung der Schallwelle im flüssigen Brennstoff oder flüssigen Brennstoffgemisch), aber auch durch eine Erwärmung der Materialien der kanalartigen Strukturen aufgrund der elastischen Deformationen (z.B. durch elektro-mechanische Verluste), eingebracht.
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Im Fall einer Blasenbildung in den kanalartigen Strukturen wirkt durch die Schallwelle im flüssigen Brennstoff oder im flüssigen Brennstoffgemisch zudem ein Druck auf die Blasen, der durch die sogenannte „acoustic radiation force“ hervorgerufen ist. Diese Kraft kann für einen effektiven Blasenaustrag aus den kanalartigen Strukturen individuell ausgenutzt werden.
Dazu können zur Detektion der Blasen solche elastischen Deformationen der kanalartigen Strukturen angeregt werden, z.B. SAWs mit horizontalen Scheranteil (SH-SAWs, shear horizontal-SAW), die über die Eigenschaften eines elektrischen Signals (z.B. Amplitude/Dämpfung, Frequenz, Phase etc) - erzeugt durch die Deformationen -, die lokale Detektion der Blasen in den einzelnen Brennstoffzellen erlauben und somit einen gezielten Blasenaustrag aus den einzelnen Brennstoffzellen unterstützen. Damit ist es nicht notwendig, bei einer Blockade der Kanalstrukturen durch Blasen, das Brennstoffzellen-System außer Betrieb zu setzen und mit hoher externer Pumpleistung durchzuspülen.
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Zusätzlich zu dem Blasenaustrag durch die acoustic radiation force kann über den acoustic streaming-Effekt das Fluid durch die kanalartigen Strukturen transportiert werden, so dass auch eine geringere Pumpleistung benötigt wird. Aufgrund des effektiven Blasenaustrages in den kanalartigen Strukturen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die Kanalstrukturen vereinfacht werden, was zu geringeren Druckverlusten führt, weshalb dann auch die geringeren Pumpleistungen realisierbar sind. Insgesamt kann somit der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle erhöht werden.
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Es ist auch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, dass das Fluid in den kanalartigen Strukturen der Anode in einer Weise durch die kanalartigen Strukturen getrieben wird, dass der hauptsächlich diffusive Transport des Fluids von der Anode in die Gasdiffusionslage durch einen konvektiven Strömungsanteil unterstützt wird, wodurch einer lokalen Verarmung von Fluid und Fluidbestandteilen vorgebeugt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Beispiel 1
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Eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle besteht aus zwei Bipolar(halb)platten als Anode und Kathode, den dazwischen befindlichen zwei Gasdiffusionslagen (GDL), den wiederum dazwischen befindlichen zwei Katalysatorschichten, und der in der Mitte befindlichen Elektrolytmembran, wobei die Bipolar(halb)platten aus dem piezoelektrischen Material Lithiumniobat bestehen und aus auf diesen aufgebrachten elektrisch beschichteten Kanalstrukturen in Mäanderform für die Brennstoffzufuhr bestehen. Die Abmessungen der Platten und Schichten betragen jeweils 10 x 10 cm und die Dicke der Anode/Kathode-Platte beträgt jeweils 0,5 cm, die der GDL jeweils 0,25 mm, die der Katalysatorschichten jeweils 0,1 mm und die der Elektrolytmembran 0,25 mm. Die Kanalstrukturen weisen jeweils eine Tiefe zwischen 0,2 und 2 mm auf und die Breite beträgt zwischen 0,3 und 2 mm.
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Auf dem piezoelektrischen Material sind auf Flächen neben den Kanälen jeweils parallel zur Breite der Anoden/Kathoden-Platte 8 fingerartige Elektrodenstrukturen (Interdigitalwandler, IDT) als Elektrode zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle aufgebracht, die bei Anlegen einer Wechselspannung mit Resonanzfrequenz f (Bedingung f = c/A., c ... Phasengeschwindigkeit und A Wellenlänge der SAW) zeigen. Über eine Mess-, Regel- und Steuerungseinheit für SAWs werden die IDTs angesteuert, so dass durch den inversen piezoelektrischen Effekt lokal akustische Oberflächenwellen angeregt werden.
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Es werden von den 8 IDT jeweils 4 IDTs vom Typ 1 und 4 IDTs vom Typ 2 jeweils abwechselnd in die Kanalstrukturen eingebracht.
Bei den IDTs vom Typ 1 weisen diese über die gesamte Breite der IDTs einen festen Abstand zwischen den Fingerelektroden auf, wodurch über die gesamte Apertur der IDTs bei Anregung innerhalb des schmalen Frequenzbereichs der Resonanzfrequenz SAWs mit ortsunabhängiger Wellenlänge angeregt werden. Dieser Typ 1 an IDTs wird vorrangig für den Transport und zum Durchmischen des Brennstoffgemisches sowie zum Einbringen von Wärme in das Brennstoffgemisch eingesetzt.
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IDTs vom Typ 2 haben über die Apertur der IDTs einen unterschiedlichen Abstand zwischen den Fingerelektroden, wodurch mit einer elektrischen Anregung über einen bestimmten Frequenzbereich SAWs angeregt werden, die eine der Abstände der Fingerelektroden entsprechend lateral variierende Wellenlänge aufweisen. Ebenso kann bei Anregung mit einzelnen Frequenzanteilen über die laterale Breite der IDTs eine ortsabhängige Anregung der SAW erreicht werden. Dieser Typ 2 an IDTs wird vorrangig zur Detektion und zum Abtransport von Blasen in den Minikanälen, aber auch zum Durchmischen des Brennstoffgemischs, z.B. zur Verringerung des Konzentrationsgradienten, und zum gleichzeitigen Einbringen von Heizleistung genutzt.
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Durch die Anordnung von IDTs neben den Kanalstrukturen und auf beiden Seiten der Kanalstrukturen entsteht bei Anregung der SAWs und Überlagerung derer ein stehendes akustisches Wellenfeld im Brennstoffgemisch, wobei Blasen, die durch die elektrochemische Reaktion entstehen, aufgrund der Druckgradienten in die Antiknoten des stehenden Wellenfelds gezogen werden. Durch die Eigenschaft der ortsabhängigen Frequenz der SAWs werden dann die Blasen bei Anregung mit einzelnen Frequenzanteilen und Durchstimmen des gesamten Frequenzbereichs in Richtung Auslass der Brennstoffzelle abtransportiert.
Dies kann entweder fortlaufend während des Betriebs erfolgen oder bei Bedarf, sobald Blasen in den Kanalstrukturen detektiert werden.
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Zur Detektion von Blasen wird beispielsweise eine Einfügedämpfungsmessung durchgeführt, bei der nur einer der neben einer Kanalstruktur angeordneten IDTs eine SAW anregt (Sender) und der auf der anderen Kanalstrukturseite angeordnete IDT diese empfängt (Empfänger). Ist die Kanalstruktur vollständig mit Brennstoffgemisch gefüllt, so ist die Dämpfung der angeregten SAW maximal. Befindet sich hingegen eine Blase im Kanal, so wird bei Kontakt der Blase mit dem piezoelektrischen Material die Amplitude der SAW weniger stark gedämpft. Über den piezoelektrischen Effekt ist dies über das elektrische Signal, das am Empfänger-IDT abgegriffen wird, erkennbar. Durch die Eigenschaft der ortsabhängigen Frequenz oder Wellenlänge der SAW ist auch die Position der Blase innerhalb der Kanalstrukturen ermittelbar.
Über die Regel-, Mess- und Steuerungseinheit für SAWs, werden die erhaltenen Daten ausgewertet, die für die Position einer Blase zugehörige Frequenz bestimmt und mit beiden seitlich zur Kanalstruktur angeordneten IDTs jeweils lokal an der Blasenposition eine SAW angeregt, um die Blase in dem Antiknoten des resultierenden stehenden Wellenfelds zu fangen. Mit zunehmender Änderung der Frequenz in Richtung der SAW-Frequenz am Auslass der Brennstoffzelle wird die Blase aus der Brennstoffzelle abtransportiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Aricò, A. S.; Baglio, V., Antonucci, V.: Direct Methanol Fuel Cells: History, Status and Perspectives, Wiley, 2009, 1-78 [0005]
- Kamarudin S, Daud W, Ho S, Hasran U (2007), Journal of Power Sources 163: 743-754 [0005]
- Ji M, Wei Z (2009) Energies 2: 1057-1106 [0006]
- Argyropoulos P, Scott K, Taama WM (1999) Journal of Power Sources 79: 169-18 [0006]
- Scott K, Taama WM, Kramer S, Argyropoulos P, Sundmacher K (1999) Electrochimica Acta 45: 945-957 [0008]
- L. Schmid et al: Lab Chip. 2014, 14, 5/10-3/18 [0011]