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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der (elektro)chemischen Reaktoren sowie Verfahren zum Betreiben derselben. Insbesondere betrifft sie skalierbare chemische Reaktoren, welche dafür ausgelegt sind, N paarweise Fluidkontakte zwischen k chemischen Fluiden zu ermöglichen, wobei k ≥ 2 und N ≥ 4, mit möglichen Anwendungen auf Photovoltaik-Vorrichtungen und die mikroelektronische Packung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es sind Reaktoren im Mikromaßstab bekannt, welche hohe Wärme und Massenübertragungsraten bereitstellen. Es sind herkömmliche Mikroverfahren bekannt, wodurch heutzutage eine billige Massenproduktion möglich ist. Außerdem können dank bekannter Techniken gut zu steuernde laminare Strömungen erreicht werden.
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Die Demonstration einer mikrofluiden elektrochemischen Energieumwandlung wurde erstmals 2002 beschrieben (vgl. z. B. Ferrigno u. a., Journal of the American Chemical Society 124, 12930 bis 12931 (2002); Choban u. a., Power Sources Proceedings 40, 317 bis 320 (2002)).
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer ersten Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als ein chemischer Reaktor verkörpert, der dafür ausgelegt ist, N paarweise Fluidkontakte zwischen k chemischen Fluiden zu ermöglichen, wobei k ≥ 2 und N ≥ 4, der Reaktor aufweisend:
- – eine Reaktionsschicht, die sich im Wesentlichen in einer zweidimensionalen Ebene erstreckt, die durch zwei, vorzugsweise senkrechte, Richtungen aufgespannt wird, wobei die Reaktionsschicht N chemische Zellen aufweist, welche jeweils zwei Kreislaufabschnitte umfassen, wobei die zwei Kreislaufabschnitte dafür ausgelegt sind, entsprechend eine Zirkulation von zwei der k chemischen Fluide zu ermöglichen, wobei sich die zwei Kreislaufabschnitte ferner überschneiden, wodurch ein paarweiser Fluidkontakt für die zwei der k chemischen Fluide ermöglicht wird;
- – einen Fluidverteilungskreislauf, aufweisend:
k Gruppen von Einlassöffnungen, die sich entlang Linien parallel zu einer der zwei Richtungen hintereinander abwechseln, zum entsprechenden Abgeben von k chemischen Fluiden an die Reaktionsschicht und
k Gruppen von Auslassöffnungen, die sich entlang Linien parallel zu den Einlassöffnungen hintereinander abwechseln, zum entsprechenden Aufnehmen von k chemischen Fluiden aus der Reaktionsschicht, wobei die Auslassöffnungen entlang der einen der zwei Richtungen in Bezug auf die Einlassöffnungen verschoben sind,
und wobei
jeder Kreislaufabschnitt über entsprechende Enden davon eine Einlassöffnung mit einer Auslassöffnung verbindet.
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In Ausführungsformen kann der obige chemische Reaktor ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- – jede der Öffnungen verbindet Enden von vier Kreislaufabschnitten, wobei jeder der vier Kreislaufabschnitte zu verschiedenen chemischen Zellen gehört, wobei die verschiedenen chemischen Zellen in der Reaktionsebene benachbart sind;
- – die Reaktionsschicht und der Fluidverteilungskreislauf bilden ein zweidimensionales periodisches Feld, wobei sich eine Einheitszelle des Feldes in der zweidimensionalen Ebene durch Translation entlang einer oder jeder der zwei Richtungen periodisch wiederholt;
- – k = 2; jede der Öffnungen verbindet Enden von vier Kreislaufabschnitten, die zu verschiedenen chemischen Zellen gehören, wobei die verschiedenen chemischen Zellen in der Reaktionsebene benachbart sind, und jede Einheitszelle weist auf:
– vier chemische Zellen;
– acht Kreislaufabschnitte;
– zwei Einlassöffnungen und
– zwei Auslassöffnungen;
- – der Fluidverteilungskreislauf weist mindestens eine Verteilleitung auf, wobei letztere mehrere parallele Kanäle aufweist, jeweils senkrecht zu der einen der zwei Richtungen und in Fluidkommunikation mit Öffnungen einer der k Gruppen von Einlassöffnungen oder einer der k Gruppen von Auslassöffnungen;
- – der Fluidverteilungskreislauf weist ferner eine oder mehrere weitere Verteilleitungen auf, wobei eine n-te weitere Verteilleitung mehrere parallele Kanäle aufweist, die in Bezug auf Kanäle einer (n – 1)-ten Verteilleitung jeweils gedreht sind und sich mit diesen in Fluidkommunikation befinden;
- – eine Verteilleitung wird durch zwei überlagerte Schichten gebildet, wobei eine erste der zwei überlagerten Schichten Öffnungen als Durchgangslöcher aufweist und eine zweite der zwei überlagerten Schichten Kanäle als Durchgangslöcher aufweist;
- – die Auslassöffnungen sind um weniger als den Abstand zwischen zwei benachbarten Einlassöffnungen entlang der einen der zwei Richtungen verschoben und sind vorzugsweise um die Hälfte dieses Abstands verschoben und
- – der Reaktor ist ein elektrochemischer Reaktor und zwei Kreislaufabschnitte, welche jeweils eine gleiche Einlassöffnung mit einer gleichen Auslassöffnung verbinden, sind durch eine Wand getrennt, die in dem Reaktor als eine Elektrode eingebunden ist, so dass zwei chemische Zellen entlang der einen der zwei Richtungen die Elektrode gemeinsam benutzen.
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Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist die Erfindung als eine Photovoltaikvorrichtung verkörpert, z. B.: eine Photovoltaikzelle, ein Photovoltaikmodul oder ein Photovoltaiksystem, aufweisend ein Feld von Photovoltaikzellen oder ein Feld von Photovoltaikmodulen; die Photovoltaikvorrichtung aufweisend:
- – mindestens eine Photovoltaikfläche, die mit einer Gruppe von Photovoltaikelektroden elektrisch verbunden ist; und
- – einen chemischen Reaktor gemäß einer der obigen Ausführungsformen, der mit der Gruppe von Photovoltaikelektroden elektrisch verbunden ist.
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Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform ist die Erfindung als ein Verfahren zum Betreiben einer Einheit nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verkörpert, das Verfahren aufweisend: Ermöglichen von N paarweisen Fluidkontakten durch
Abgeben k chemischer Fluide an die Reaktionsschicht, wobei k ≥ 2, über die k Gruppen von Einlassöffnungen, so dass in jeder der N chemischen Zellen zwei der k chemischen Fluide in zwei entsprechenden Kreislaufabschnitten zirkulieren, in Kontakt geraten und dadurch eine chemische Reaktion ermöglichen; und
Aufnehmen von k chemischen Fluiden aus der Reaktionsschicht über die k Gruppen von Auslassöffnungen.
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Vorzugsweise ist der Reaktor ein elektrochemischer Reaktor, wie oben definiert, und das Verfahren weist ferner auf: Abgeben oder Aufnehmen elektrischer Ladungen an bzw. von Elektroden, wobei jede der Elektroden zwei Kreislaufabschnitte trennt, welche jeweils eine gleiche Einlassöffnung mit einer gleichen Auslassöffnung verbinden, wodurch jede der Elektroden von zwei chemischen Zellen gemeinsam benutzt wird, die entlang der einen der zwei Richtungen benachbart sind.
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Im Folgenden werden Einheiten, Vorrichtungen und Verfahren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, mittels nicht beschränkender Beispiele und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine zweidimensionale Ansicht einer vereinfachten Darstellung eines Beispiels für eine chemische Zelle, wie sie gemäß Ausführungsformen in einem chemischen Reaktor verwendet wird;
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2 ist eine zweidimensionale Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer Reaktionsschicht eines chemischen Reaktors gemäß Ausführungsformen, wobei die Reaktionsschicht mehrere chemische Zellen aufweist, wie in 1 abgebildet;
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3 ist eine zweidimensionale Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer ersten Verteilleitung eines Fluidverteilungskreislaufs eines chemischen Reaktors, vergleichbar mit der Reaktionsschicht der 2, gemäß Ausführungsformen;
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4 ist eine zweidimensionale Ansicht der ersten Verteilleitung der 3, der Ansicht der Reaktionsschicht der 2 überlagert, wie in Ausführungsformen;
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5 ist eine zweidimensionale Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer zweiten Verteilleitung eines Fluidverteilungskreislaufs eines chemischen Reaktors, vergleichbar mit der ersten Verteilleitung der 3 oder 4, gemäß Ausführungsformen;
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6 ist eine zweidimensionale Ansicht der zweiten Verteilleitung der 5, der Ansicht der 3 überlagert;
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7 ist eine zweidimensionale Ansicht der zweiten Verteilleitung der 5, der Ansicht der 4 überlagert, wie in Ausführungsformen;
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8 ist eine Schnittansicht (vereinfachte Darstellung) entlang der Linie (Ebene) PP der 2;
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9 ist eine dreidimensionale Ansicht eines chemischen Reaktors, aufweisend Elemente, wie in 1 bis 8 abgebildet, und gemäß Ausführungsformen;
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10 zeigt eine Photovoltaikvorrichtung, aufweisend ein Feld von Photovoltaikmodulen und einen chemischen Reaktor, gemäß Ausführungsformen;
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11 ist ein Ablaufplan, welcher Schritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Einheit gemäß Ausführungsformen veranschaulicht; und
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12A bis 12C veranschaulichen drei unterschiedliche Elektrodenverdrahtungskonfigurationen für eine Reaktionsschicht, wie in 2 abgebildet, und welche in einem elektrochemischen Reaktor verwendet werden, gemäß Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist wie folgt strukturiert. Zuerst werden allgemeine Ausführungsformen und übergeordnete Varianten beschrieben (Abschnitt 1). Der nächste Abschnitt betrifft speziellere Ausführungsformen und technische Einzelheiten der Verwirklichung (Abschnitt 2).
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1. Allgemeine Ausführungsformen und hochentwickelte Varianten
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Allgemein Bezug nehmend auf 1 bis 10, wird zunächst eine Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, welche einen chemischen Reaktor betrifft. Dieser Reaktor CR ist dafür ausgelegt, N paarweise Fluidkontakte zwischen k chemischen Fluiden zu ermöglichen. Zur Vereinfachung ist das geometrische Konzept, welches der Erfindung zugrunde liegt, in den anhängenden Zeichnungen für k = 2 Fluide veranschaulicht. Das allgemeinste Konzept gilt jedoch für k ≥ 2, wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden soll.
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Der Reaktor weist grundsätzlich eine Reaktionsschicht RP und einen Fluidverteilungskreislauf M1, M2 auf, welche nun beschrieben werden.
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Erstens, wie in 2 veranschaulicht, erstreckt sich die Reaktionsschicht RP im Wesentlichen in einer zweidimensionalen Ebene (d. h. aufgespannt durch zwei typischerweise senkrechte Richtungen x, y, wie in 2 zu sehen). Diese Reaktionsschicht weist mehrere chemische Zellen CC auf. Die Reaktionsschicht RP kann auch als eine „Umwandlungsebene”, eine „Umwandlungsschicht” usw. bezeichnet werden.
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Ein Beispiel für eine chemische Zelle ist in 1 dargestellt. Diese Zelle umfasst zwei Kreislaufabschnitte CP1, CP2 (Kreislaufabschnitte werden allgemein durch die Bezugszeichen CP gekennzeichnet). Diese Kreislaufabschnitte sind jeweils zum Zirkulieren eines chemischen Fluids A, B ausgelegt, so dass die zwei Abschnitte einer chemischen Zelle entsprechend eine Zirkulation von zwei der k chemischen Fluide ermöglichen (d. h. jeder der zwei Abschnitte ermöglicht eine Zirkulation von einem der k chemischen Fluide). Wie zudem in 1 zu sehen ist, überschneiden sich die Kreislaufabschnitte CP1, CP2, was zu einem paarweisen Fluidkontakt (für zwei Fluide A, B) führt. Die Kreislaufabschnitte überschneiden sich typischerweise über einen relativ großen Überlappungsbereich. Zu diesem Zweck können sie eine gebrochene Form aufweisen oder gekrümmt sein (oder eine beliebige andere geeignete Form aufweisen), wie in 1 veranschaulicht.
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Zweitens weist der Fluidverteilungskreislauf grundsätzlich Gruppen von Einlassöffnungen und Auslassöffnungen auf, wobei diese Öffnungen in jeder der 1 bis 4 und 8 bis 9 zu sehen sind.
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Genauer weist der Fluidverteilungskreislauf k Gruppen von Einlassöffnungen auf (k ≥ 2), d. h. es gibt so viele Gruppen wie Fluide. Wie in 2 zu sehen (wo k = 2), wechseln sich die Öffnungen IA, IB entlang Linien parallel zur Richtung y hintereinander ab. Detaillierter beschrieben, sind die Einlassöffnungen IA, IB in Linien parallel zur Richtung y angeordnet und in jeder dieser Linien wechseln die Einlassöffnungen hintereinander ab, um Folgen wie IB – IA – IB – ... zu bilden. Die Einlassöffnungen ermöglichen eine Abgabe jedes der chemischen Fluide (z. B. der zwei chemischen Fluide A, B) an die Reaktionsschicht RP. Allgemeiner ausgedrückt, ermöglichen k Gruppen von Einlassöffnungen eine entsprechende Abgabe der k chemischen Fluide.
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In ähnlicher Weise weist der Fluidverteilungskreislauf ferner k Gruppen von Auslassöffnungen OA', OB' auf, wobei die Auslassöffnungen sich entlang Linien (strikt) parallel zu den Einlassöffnungen (und somit auch parallel zu der gleichen Richtung y) hintereinander abwechseln. Dies führt zu Folgen OB' – OA' – OB' – ... parallel zu den Folgen IB – IA – IB – ... entlang der vertikalen Richtung y. Die Auslassöffnungen sind dafür vorgesehen, entsprechend k chemische Fluide aus der Reaktionsschicht aufzunehmen. Wie in 1 (oder 2) veranschaulicht, verbindet jeder Kreislaufabschnitt CP1, CP2 über entsprechende Enden davon eine Einlassöffnung (IA oder IB) mit einer Auslassöffnung (OA' bis OB').
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Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass die Auslassöffnungen entlang der Richtung y (oder allgemeiner entlang der Bezugsrichtung) bezüglich der Einlassöffnungen verschoben sein müssen. Grundsätzlich bringt die Verschiebung der Auslassöffnungen ggü. den Einlassöffnungen ein Wellenmuster der Kreislaufabschnitte mit sich, vgl. 2. Diese Verschiebung soll ein Bereitstellen und ein Aufnehmen von Fluid (d. h. Flüssigkeit) in die und aus der Reaktionsschicht RP mittels paralleler Kanäle des abwechselnden Typs ermöglichen. Dies zusammen mit den anderen geometrischen Beschränkungen, die in den obigen Beschreibungen festgehalten sind, ermöglicht die Skalierbarkeit des Fluidverteilungsverfahrens und somit des chemischen Reaktors selbst.
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Der oben beschriebene Reaktor soll im Betrieb mit k chemischen Fluiden (hauptsächlich Flüssigkeiten) gefüllt sein. Obwohl paarweise Fluidkontakte ermöglicht werden, kann die Vermischung der Fluide absichtlich vermieden werden (z. B. dank colaminarer Strömungen). Dank Verfahren, die als solche bekannt sind, wie in der Einleitung umrissen, können gut gesteuerte laminare Strömungstechniken erreicht werden, die zu (nur) einer Diffusionsvermischung der Flüssigkeiten führen. Daher ist es nicht zwingend erforderlich, die Flüssigkeiten am Kontaktpunkt zu trennen. Man beachte: für jene Ausführungsformen, die colaminare Strömungen umfassen, bedeutet „Fluid” in der Praxis „Flüssigkeit”, da colaminare Strömungen von Gasen in der Praxis nicht einfach zu erreichen sind.
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In dieser Hinsicht kann die vorliegende Erfindung als ein Verfahren zum Betreiben einer Einheit, wie hierin beschrieben, verkörpert sein. Hauptsächlich besteht der Kern des Verfahrens aus dem Ermöglichen von N paarweisen Fluidkontakten durch Abgeben (11, Schritt S10) von k chemischen Fluiden an die Reaktionsschicht, k ≥ 2, über die k Gruppen von Einlassöffnungen, so dass in jeder der N chemischen Zellen CC zwei der k chemischen Fluide in zwei entsprechenden Kreislaufabschnitten CP1, CP2 zirkulieren (Schritt S20), in Kontakt geraten (Schritt S30) und dadurch die gewünschte chemische Reaktion ermöglichen. Währenddessen (d. h., während die Fluide abgegeben werden und/oder nachdem der Schritt S10 begonnen hat) werden die k chemischen Fluide über die k Gruppen von Auslassöffnungen aus der Reaktionsschicht aufgenommen, Schritt S10a.
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In 1 bis 2, werden unterschiedliche Quadratmuster verwendet, um die Wege zu veranschaulichen, die von den zwei Fluiden A, B in den Kreislaufabschnitten CP der chemischen Zellen CC genommen werden (horizontal-vertikales Quadratmuster für das Fluid A, gedrehtes Quadratmuster für das Fluid B). Wiederum andere Muster werden verwendet, um die Öffnungen IA, IB, OA', OB' zu unterscheiden, aus Gründen, die später erläutert werden. Man beachte, dass sich die Natur der Fluide, die aus OA' und OB' aufgenommen werden, aufgrund einer (teilweisen) Diffusion am Kontakt zwischen Kreislaufabschnitten geringfügig von den Fluiden unterscheiden kann, die über IA und IB abgegeben werden. Aus diesem Grund werden Striche verwendet, um die Ausgänge OA' und OB' zu kennzeichnen, d. h. um daran zu erinnern, dass sich die aufgenommenen Fluide geringfügig von den eingebrachten Fluiden unterscheiden können.
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Wie bereits angemerkt, ermöglicht jede chemische Zelle CC mindestens einen paarweisen Kontakt. Nun implizieren die geforderten abwechselnden Folgen von Einlass/Auslass-Öffnungen N ≥ 4. Tatsächlich impliziert eine begrenzte Folge IB – IA – IB entlang einer Linie parallel zur Richtung y bereits eine erste Gruppe von zwei vertikal benachbarten chemischen Zellen (wenn k = 2); wenn man nun berücksichtigt, dass eine parallele (und verschobene) Folge OB' – OA' – OB' auch eine zweite Gruppe von zwei vertikal benachbarten chemischen Zellen (auch zu der ersten Gruppe von chemischen Zellen benachbart) impliziert, ist die minimale Anzahl der beteiligten chemischen Zellen (und somit der paarweisen Kontakte) somit N ≥ 4. Wenn man dies verallgemeinert, kann N jeden Wert m + m' – 2 annehmen, wobei m ≥ 3 und m' ≥ 3, wobei m und m' die Anzahl an „Monomeren” (IB, IA, OB' oder OA') in jeder parallelen Linie sind, so dass N jeden größeren Wert als 4 annehmen kann (und nicht notwendigerweise gerade sein muss). Somit können praktische Realisierungen zu N ≥ I führen, für jeden ganzzahligen Wert von I (≥ 4). Zum Beispiel zeigt 2 explizit 24 paarweise Kontakte. Es versteht sich jedoch, dass N in der Praxis viel größer sein kann, z. B. 1024.
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Nun spezieller Bezug nehmend auf 1, 2: jede der Einlass/Auslassöffnungen verbindet vorzugsweise Enden von vier Kreislaufabschnitten CP, welche jeweils zu verschiedenen chemischen Zellen CC gehören (aber in der Reaktionsebene RP benachbart sind). Wie aus 2 zu erkennen ist, ermöglicht eine solche Konfiguration eine markante Erhöhung der Dichte an Kreislaufabschnitten CP und damit an chemischen Zellen CC in der Reaktionsschicht RP. Allgemeiner ausgedrückt, muss der chemische Reaktor jedoch nicht so ausgestaltet sein, dass jede Öffnung Enden von vier Kreislaufabschnitten verbindet. Man kann auf Kosten einer niedrigeren Dichte auch einen chemischen Reaktor mit weniger Kreislaufabschnitten bauen. Man kann zum Beispiel für jeden Fluidkreislaufabschnitt nur eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung haben. Es würden aber im Vergleich zum bevorzugten Fall viermal mehr Öffnungen benötigt und die Reaktionsschicht wäre nicht so dicht mit chemischen Zellen gepackt. Dass jede Öffnung Enden von vier Kreislaufabschnitten verbindet, ist dementsprechend der bevorzugte Weg der Verkörperung eines chemischen Reaktors (mit zwei chemischen Fluiden oder mehr).
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Nun spezieller Bezug nehmend auf 2: die Reaktionsschicht RP und der Fluidverteilungskreislauf bilden vorzugsweise ein zweidimensionales periodisches Feld d. h. eine Einheitszelle UC des Feldes wiederholt sich periodisch in der zweidimensionalen Ebene (durch Translation entlang einer oder jeder der zwei Richtungen x, y). Man beachte, dass aufgrund der oben beschriebenen minimalen Gruppe an geometrischen Beschränkungen (z. B., der Verschiebung von OB' – OA' – OB' gg. IB – IA – IB) eine Einheitszelle notwendigerweise Untergruppen nicht paralleler Kanalabschnitte CP aufweist. Die Wahl der Einheitszelle ist nicht eindeutig: in 2 sind zur Veranschaulichung zwei Einheitszellen UC und UC' abgebildet. Ein zweidimensionales periodisches Feld wird insofern bevorzugt, als es sowohl eine Erhöhung der Packungsdichte als auch eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ermöglicht.
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Wichtig ist, dass eine Einheitszelle Merkmale sowohl der chemischen Zellen CC als auch des Fluidverteilungskreislaufs (d. h. Öffnungen) annimmt. Da jedoch eine einzelne Öffnung vorzugsweise mehrere Kreislaufabschnitte verschiedener chemischer Zellen CC verbinden soll, sind die Öffnungen die begrenzenden Faktoren, wenn minimale Einheitszellen bestimmt werden. Wie zum Beispiel in 2 zu sehen, werden die minimalen Einheitszellen UC, UC' hauptsächlich durch eine minimale Gruppe benötigter Öffnungen bestimmt (d. h. IA, IB, OA', OB').
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Eine bevorzugte Ausführungsform, welche mehrere der oben angeführten Optionen (explizit oder nicht) kombiniert, ist zum Beispiel eine, wobei: k = 2; jede Öffnung verbindet die Enden von vier Kreislaufabschnitten (welche zu verschiedenen chemischen Zellen gehören) und jede Einheitszelle weist auf:
- – vier chemische Zellen;
- – acht Kreislaufabschnitte;
- – zwei Einlassöffnungen IA, IB und
- – zwei Auslassöffnungen OA', OB'.
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Diese Ausführungsform entspricht genau den anhängenden Zeichnungen. Jede Einheitszelle kann jedoch allgemeiner 2 k chemische Zellen aufweisen, wobei der Faktor 2 von der Tatsache herrührt, dass sowohl Eingang als auch Ausgang benötigt werden, während der Faktor k in der Anzahl der Fluide begründet ist. Dies würde vertikale Folgen wie IA – IB – IC – ID ..., und OA' – OB' – OC' – OD' ... bedeuten. In ähnlicher Weise würde man 4 k Kreislaufabschnitte, k Einlassöffnungen und k Auslassöffnungen erhalten. Immer noch verbindet jede der Öffnungen Enden von vier Kreislaufabschnitten (wobei alle Abschnitte zu verschiedenen chemischen Zellen gehören).
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Wenn man erkannt hat, wie eine dichte Packung chemischer Zellen erreicht werden kann, um paarweise Kontakte mit k Fluiden zu ermöglichen, kann man vorteilhaft die obige (allgemeine) Lösung auf jeden Wert von k > 2, k > 3 oder k > 4 usw. anwenden, was zu sehr originellen Gestaltungen führt. Solche Ausführungsformen führen jedoch zu komplexen technischen Zeichnungen und werden deswegen in den anhängenden Zeichnungen nicht explizit wiedergegeben. Es sei immer noch angemerkt, dass, wenn man die gestreiften oder Quadratstrukturen abstrahiert, die verwendet werden, um CP1, CP2, IA, IB, OA' und OB' wiederzugeben, das übrige Muster, das in 2 dargestellt ist, für jedes k gültig bleibt (die Einheitszellen UC, UC' hängen ebenso von dem Wert von k ab). Es wird dennoch angenommen, dass die anhängenden Zeichnungen ausreichen, um die wesentlichen konzeptuellen Aspekte und technischen Beiträge der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
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Nun Bezug nehmend auf 3 bis 4: der Fluidverteilungskreislauf weist vorzugsweise mindestens eine Verteilleitung M1 auf, welche wiederum mehrere parallele Kanäle M11 bis M14 aufweist. Jeder dieser parallelen Kanäle M11 bis M14 muss dann aus Gründen der Kompatibilität senkrecht zur Richtung y (oder der Referenzrichtung) verlaufen. Jeder der parallelen Kanäle M11 bis M14 steht ferner in Fluidkommunikation mit Öffnungen einer der Gruppen (A oder B) von Öffnungen (Einlass oder Auslass). Zu diesem Zweck können in der Verteilleitung M1 Öffnungen oder Düsen NIA, NIB, NOA', NOB' bereitgestellt sein, welche entsprechend mit den Öffnungen IA, IB, OA', OB' verbunden sind, d. h. diesen gegenüber liegen, welche direkt mit den Kreislaufabschnitten auf der Ebene der Reaktionsschicht RP verbinden. Weiterhin können die Düsen NIA, NIB, NOA', NOB' und die Öffnungen IA, IB, OA', OB' ein und dasselbe sein. Allgemeiner ausgedrückt, befindet sich jeder der parallelen Kanäle mit Öffnungen von einer der k Gruppen von Einlassöffnungen oder einer der k Gruppen von Auslassöffnungen in Fluidkommunikation. Dies impliziert, dass sich die parallelen Kanäle von M1 ebenfalls hintereinander abwechseln, um den entsprechenden Öffnungstyp zu treffen. Aus den obigen Definitionen folgt, dass es 2 k Typen von Kanälen in M1 gibt.
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Nun ist, da ein Kanaltyp mit verschiedenen Öffnungen desselben Typs verbindet, vgl. 3 und 4, die Anzahl der Kanäle viel kleiner als die Anzahl der Öffnungen. Außerdem kann die Fluidverteilung an die/die Fluidaufnahme aus den Öffnungen dank der verschobenen und sich abwechselnden Öffnungen über sich hintereinander abwechselnde parallele Kanäle erreicht werden, was auch vorteilhafter Weise eine Skalierbarkeit der stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Verteilungskreisläufe in Bezug auf die Reaktionsschicht RP ermöglicht (d. h., stromaufwärts und -abwärts in Bezug auf die Einlass und Auslassöffnungen IA, IB, OA', OB').
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Wie oben angedeutet, gibt es, da in den anhängenden Zeichnungen zwei Typen von Fluiden (A und B) angenommen werden und zum Einlass und Auslass zwei Typen von Öffnungen benötigt werden, 4 Typen von Sammelkanälen. Jeder Kanaltyp ist unter Verwendung unterschiedlicher Muster abgebildet (horizontale, vertikale oder diagonale Streifen ”///” oder ”\\\”).
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In 4 ist die Verteilleitung M1 der Reaktionsschicht der 2 überlagert dargestellt, um dem Leser zu ermöglichen, zu sehen, wo die Verteilleitung mit der Reaktionsschicht RP verbindet.
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In ähnlicher Weise kann der Fluidverteilungskreislauf ferner eine oder mehrere Verteilleitungen aufweisen, wie in 5 bis 7 mit (nur) einer weiteren Verteilleitung M2 veranschaulicht. In diesem Fall weist die weitere Verteilleitung M2 mehrere parallele Kanäle M2i (d. h. M21 bis M25 in den Zeichnungen) auf, welche jeweils in Bezug auf Kanäle M1i von M1 gedreht sind (z. B. senkrecht dazu verlaufen) und mit Kanälen M1i von M1 in Fluidkommunikation stehen. Zum Beispiel können in den Kanälen M2i Düsen M2ij (d. h. M221 und M222 in den Zeichnungen) bereitgestellt sein, um eine Fluidkommunikation mit M1 zu ermöglichen. Dasselbe Prinzip kann für eine n-te weitere Verteilleitung in Fluidkommunikation mit einer (n – 1)-ten Verteilleitung verallgemeinert werden. Somit versteht man, dass es in jeder der Verteilleitungen M1, M2 2 k Typen von Kanälen gibt. Da jedoch ein Kanaltyp in Mn mit mehreren Kanälen in Mn – 1 verbindet, vgl. 5 und 6, ist die Anzahl der Kanäle in Mn viel geringer als die Anzahl der Kanäle in Mn – 1. Die Folge von Verteilleitungen, wie oben definiert, ermöglicht eine Fluidkommunikation zwischen einerseits makroskopischem Fluideinlass/-auslass, z. B. durch Rohranschlüsse, und andererseits mikroskopische oder zumindest viel kleinere Öffnungen auf der Ebene der Reaktionsschicht RP. Das zugrunde liegende Prinzip ist wiederum vollständig skalierbar. Allgemeiner ausgedrückt, können Verteilleitungsschichten hinzugefügt werden, falls und soweit erforderlich, um die Zufuhr der k Fluide aus einer externen Quelle zu dem Reaktor zu erleichtern.
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Die in 2 bis 7 dargestellten zweidimensionalen Ansichten sind besser zu verstehen, wenn sie mit der Schnittansicht der 8 (entlang der Ebene PP der 2) und der dreidimensionalen Ansicht der 9 verglichen werden.
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Man beachte, dass eine Verteilleitung vorzugsweise durch zwei überlagerte Schichten gebildet werden kann, wobei eine erste Schicht Öffnungen als Durchgangslöcher aufweist und die zweite Schicht Längskanäle aufweist, die senkrecht zu der Richtung dieser Öffnungen orientiert sind. Dies bedeutet Vorteile hinsichtlich der Herstellbarkeit. Tatsächlich kann eine untere Teilschicht der Verteilleitung Mn Öffnungen aufweisen, die für eine Fluidkommunikation mit einer Verteilleitung Mn – 1 einer unteren Ebene oder der Reaktionsschicht RP vorgesehen sind, während die obere Teilschicht die Kanäle der Verteilleitung Mn aufweist. Sowohl die Öffnungen als auch die Kanäle können in ihren entsprechenden Teilschichten durch spanende Bearbeitung als Durchgangslöcher hergestellt werden, was das Herstellungsverfahren vereinfacht. Es müssen nur zwei solche Teilschichten zunächst überlagert und dann zusammengebaut werden, ohne wesentliche weitere spanende Bearbeitung. Somit können nicht nur die Öffnungen, sondern auch die Kanäle als Durchgangslöcher durch spanende Bearbeitung hergestellt werden, d. h. die Kanäle sind in diesem Fall Nuten, welche eine durchgängige Lücke von einer Fläche einer Schicht bis zu der anderen Fläche derselben Schicht definieren.
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In Varianten kann man die Öffnungen und die Kanäle auch in einer Einzelschicht herstellen, wobei in diesem Fall die Kanäle nicht mehr durch die Schicht durchgängig sind, sondern stattdessen Nuten definieren, welche mit einer bestimmten Tiefe in die Schicht ausgespart sind.
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Überlagerte Schichten können ferner aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, falls erforderlich, da die verschiedenen Abmessungen und Formen der Kanalabschnitte ggü. den Öffnungen unter Verwendung unterschiedlicher Materialien einfacher verarbeitet werden können.
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Als Nächstes, speziell Bezug nehmend auf 2 bis 4: wie nach den obigen Festlegungen sind die Auslassöffnungen notwendigerweise um weniger als den Abstand zwischen zwei benachbarten Einlassöffnungen entlang der Richtung y verschoben. Nun sind sie typischerweise um die Hälfte dieses Abstands verschoben. Eine Verschiebung um einen halben Abstand entspricht Ausführungsformen, die in den anhängenden Zeichnungen abgebildet sind. Man versteht, dass dieser Fall möglicherweise der am einfachsten zu entwerfende und herzustellende ist, da dieser eine regelmäßige Anordnung von Kanälen ermöglicht, z. B. mit identischen Abmessungen im Fluidverteilungskreislauf.
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Nun werden die chemischen Zellen CC näher betrachtet. Wieder Bezug nehmend auf 1 und 2, sind zwei Kreislaufabschnitte CP, welche jeweils eine gleiche Einlassöffnung (z. B. IA) mit einer gleichen Auslassöffnung (z. B. OA') verbinden, typischerweise durch eine Wand E1, E2 getrennt. Nun ist der chemische Reaktor CR in Ausführungsformen vorzugsweise ein elektrochemischer Reaktor. In diesem Fall sind die Wände E1, E2 als Elektroden E1, E2 in den Reaktor eingebunden. Man beachte, dass diese Elektroden massive elektrische Leiter sein können oder nicht. D. h., die Elektroden können, falls erforderlich, so konstruiert sein, dass elektrischer Strom entlang der Oberfläche der Elektroden statt entlang ihrer Masse fließt. Weitere Wände W1, W2 können in geeigneter Weise so angeordnet sein, dass sie Enden von Kreislaufabschnitten in passender Weise trennen, wie in 1, 2 zu sehen.
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Man beachte, dass in elektrochemischen Anwendungen die Elektronenübertragung nicht zwischen den Fluiden A, B erfolgt, sondern zwischen den Elektroden E1, E2 und den Fluiden A, B. Der paarweise Kontakt ist erforderlich, um den elektronischen Schaltkreis zu schließen (die Fluide sind ionische Leiter, wodurch ein Ionenaustausch zwischen ihnen ermöglicht wird, um eine Elektroneutralität zu erreichen).
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1 bis 10 betreffen Verteilleitungsschemen, welche eine einheitliche periodische Verteilung von zwei unabhängigen Fluidströmen ermöglichen und zeigen, wie für eine elektrochemische Umwandlung einfach Elektroden in dieses Schema integriert werden können. Die dargestellten Verteilleitungen stellen eine Verteilung unabhängiger Fluidströme und eine Überbrückung der Längenmaßstäbe von makroskopischen Fluidverbindungen bis zur mikroskopischen Umwandlungsebene sicher. Obwohl die Beispiele, die in 1 bis 10 dargestellt sind, für eine unabhängige Handhabung von zwei Einlass- und zwei Auslassströmen vorgesehen sind, kann in ähnlicher Weise auch eine größere Anzahl an Strömen gehandhabt werden, wie bereits erwähnt.
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Es wurden gleichzeitig elektrochemische Ausbeute und Wärmeableitung für laminare Strömungsbedingungen in der Reaktionsschicht RP modelliert (hier nicht beschrieben, dies soll jedoch Gegenstand folgender Veröffentlichungen sein). Diese Untersuchung hat gezeigt, dass Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zu bekannten elektrochemischen Mikrofluid-Umwandlungseinheiten sehr hohe flächenbezogene Leistungen ermöglichen. Zum Beispiel ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Erreichen von flächenbezogenen Leistungen, die typischerweise höher als 0,1 W/cm2 oder sogar 1 W/cm2 sind, für mittlere Fluidgeschwindigkeiten von 0,01 m/s bis 1,00 m/s, während die Einheiten des Standes der Technik gewöhnlich flächenbezogene Leistungen in der Größenordnung von 0,01 W/cm2 bis 0,10 W/cm2 liefern.
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Für die hierin offenbarten Konzepte sind verschiedene Anwendungen absehbar, nämlich:
- – Abgabe von elektrochemischer Energie für hohe Energiedichte (z. B. Brennstoffzellen, Redox-Durchflussbatterien);
- – Dezentralisierte Energieerzeugung mit integrierter Speicherung (z. B. Photovoltaik);
- – Chemische Reaktoren mit definierter Produktzusammensetzung (z. B. Wasserstoff-Reformierungsanlagen, künstliche Photosynthese);
- – Wärmemanagement mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten (z. B. Mikrokanal-Wärmesenken)
- – usw.
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Die Erfindung kann zum Beispiel als eine Photovoltaikvorrichtung PA verkörpert sein, wie in 10 veranschaulicht. Der obere Teil der 10 entspricht einer Schnittdarstellung, während der untere Teil eine Ansicht von unten ist. Die Vorrichtung PA kann sich auf eine einzelne Photovoltaikzelle oder auf ein Photovoltaikmodul beschränken oder sie kann ein Photovoltaikmodul sein, welches ein Feld PMA von Photovoltaikzellen PC (oder sogar Modulen) aufweist.
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Kurz beschrieben erzeugen Photovoltaikvorrichtungen elektrische Energie durch Umwandeln von Sonnenstrahlung (d. h. „S” in 10) in Gleichstromelektrizität durch Halbleiter, die den photovoltaischen Effekt zeigen. Eine Photovoltaikzelle (oder PV-Zelle, auch „Solarzelle” oder „photoelektrische Zelle”) ist eine Halbleitereinheit, welche Lichtenergie durch den photovoltaischen Effekt direkt in Elektrizität umwandelt. Ein Photovoltaikmodul (auch „Solarmodul”, „Solarzellenplatte” oder „Photovoltaikplatte”) ist eine Baugruppe aus verbundenen Photovoltaikzellen. Schließlich umfasst ein Photovoltaiksystem typischerweise ein Feld von Photovoltaikmodulen, einen Wechselrichter und Verbindungsverdrahtung.
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In 10 ist die abgebildete Vorrichtung ein Empfänger mit einem Feld mit mehreren Photovoltaikzellen, welcher vorteilhaft für die konzentrierte Photovoltaik verwendet werden kann. Konzentrierte Photovoltaiksysteme (oft als CPV abgekürzt) verwenden eine Optik (z. B. Linsen), um eine große Menge an Sonnenlicht auf einer kleinen Fläche von Solar-Photovoltaikmaterialien zu konzentrieren, um Elektrizität zu erzeugen (Sonnenlicht wird direkt in Elektrizität umgewandelt). Die Konzentration ermöglicht die Produktion kleinerer Flächen von Solarzellen.
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Wichtig ist, dass die in 10 dargestellten Muster nicht mehr Fluidwegen entsprechen, anders als in 1 bis 9. Stattdessen bezeichnen die Streifenmuster nun typische Isopotentialflächen und für das Substrat S und einige Strukturen in der Reaktionsschicht RP wird nun ein Quadratmuster verwendet.
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In allen Fällen führen Anwendungen der Erfindung auf Photovoltaikvorrichtungen typischerweise zu Vorrichtungen, welche zusätzlich zu einem chemischen (elektrochemischen) Reaktor CR, wie oben beschrieben, mindestens eine Photovoltaikfläche PS aufweisen, die elektrisch mit einer Gruppe von Photovoltaikelektroden PE, BE (BE steht für Back Electrode, hintere Elektrode) verbunden ist. Der CR ist in diesem Fall elektrisch mit der Gruppe von Photovoltaikelektroden verbunden. Man beachte die vertikale Ordnung der Schichten S, RP usw., welche die umgekehrte der 8 und 9 ist. In 10 sind mit dem zusätzlichen Bezugszeichen TC Durchkontaktierungen (Through Contacts) bezeichnet. Elektrisch leitfähige Finnen, welche die Elektroden E1, E2 (im Fall von k = 2 Fluiden) innerhalb der Reaktionsschicht RP' bilden, sind elektrisch mit den Durchkontaktierungen TC verbunden. Die Elektroden E1, E2 (im Fall von k = 2 Fluiden) sind mit Elektrodenanschlüssen T1, T2 verbunden, welche wiederum mit dem externen Verbraucher oder der Stromquelle verbunden sind, z. B. mit der Photovoltaikeinheit, die in 10 dargestellt ist. Die Anordnung von T1, T2, die in 10 dargestellt ist, ist ein Beispiel für eine verzahnte Elektrodenanordnung, welche ermöglicht, den elektrochemischen Reaktor gleichmäßig über einen gesamten Bereich mit der Photovoltaikzelle zu verbinden. Dieses Feld von Elektrodenanschlüssen mit hoher Flächendichte kann besonders nützlich in Ausführungsformen z. B. für elektronische Einheiten sein, bei denen Ball-Grid-Arrays verwendet werden.
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Wenn der Reaktor als ein elektrochemischer Reaktor verwendet wird, dann trennt jede der Elektroden E1, E2 zwei Kreislaufabschnitte (welche jeweils eine gleiche Einlassöffnung mit einer gleichen Auslassöffnung verbinden). Mit anderen Worten, jede Elektrode wird von zwei chemischen Zellen gemeinsam benutzt, die entlang der Richtung y benachbart sind. Das entsprechende Betriebsverfahren weist ferner auf: Abgeben oder Aufnehmen (Schritt S40 in 11) elektrischer Ladungen an die bzw. von den Elektroden. Hier versteht es sich, dass eine Last zwischen den Elektroden zum Erzeugen von Elektrizität verwendet werden kann. Alternativ kann die Elektrizität chemisch in den Fluiden gespeichert werden.
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12A bis 12C zeigen verschiedene Beispiele für eine Anordnung von Anschlüssen, welche im Folgenden kurz beschrieben werden. Wie auf den Gebieten der Brennstoffzellen- und Batterietechnologie bekannt, können mehrere Einzelzellen elektrisch zu Zellenketten verbunden werden, um einen Brennstoffzellenstapel oder ein Modul zu bilden. Wenn die elektrische Verbindung zwischen den Zellen in Reihenschaltung gebildet wird, ist die Gesamtspannung, die von dieser Zellenkette geliefert wird, höher als die einer Einzelzelle. Spezieller ist die Leerlaufspannung einer Zellenkette, in welcher die Zellen in Reihenschaltung verbunden sind, gleich der Summe der einzelnen Leerlaufspannungen jeder Einzelzelle. Eine spezielle Form der Reihenverbindung von Zellen ist als eine bipolare Anordnung bekannt, in welcher die Elektrode einer Zelle an den elektrochemischen Reaktionen von zwei benachbarten Zellen partizipiert. In diesem Fall ist die Polarität, die der Elektrode in einer Zelle zugeordnet ist, der Polarität entgegengesetzt, die der Elektrode in der Nachbarzelle zugeordnet ist. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es von Nutzen sein, Ketten von chemischen Zellen CC so zu betreiben, dass die Leerlaufspannungen an den Anschlüssen, die mit einem externen Verbraucher oder einer Stromquelle verbunden sind, ganzzahlige Vielfache der Leerlaufspannung sind, die von einer einzelnen chemischen Zelle CC geliefert wird. Beispielsweise zeigen 12A bis 12C verschiedene Möglichkeiten der Verbindung einzelner Elektroden E1, E2 zum Liefern verschiedener Anschlussspannungen. Wenn zum Beispiel eine einzelne chemische Zelle zu einer Leerlaufspannung von 1 V führt, definiert durch die darin stattfindenden chemischen Reaktionen, arbeiten die Anschlüsse (fette Linien) in 12A mit einer Spannung von 1 V. Auf der Grundlage desselben Typs einer chemischen Zelle CC liefert die Anordnung, die in 12B dargestellt ist, eine Anschlussspannung von 3 V. Die Konstruktion in 12C liefert eine Anschlussspannung von 5 V.
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Es sind Ausführungsformen beschrieben worden, welche dank eines geeigneten Fluidverteilungs(Verteilleitungs)-Schemas auf große Bereiche skalierbar sind. Einige der offenbarten Ausführungsformen ermöglichen durch effiziente Mikrostrukturen bemerkenswert hohe elektrochemische Energiedichten. Die vorliegenden Konzepte sind ohne Verlust der Energiedichte gut skalierbar von kleinen Standflächen (z. B. Mikroprozessoren, wenige cm2) bis zu großen Standflächen (z. B. große Photovoltaikmodule, mehrere m2). Sie sorgen ferner für eine verringerte Komplexität im Vergleich zu großmaßstäblichen Konstruktionen auf Membranbasis, da eine Fluidtrennung durch laminare Strömung anwendbar ist. Schließlich kann aufgrund eines verringerten Verdrahtungswiderstands eine effiziente elektrochemische Energiespeicherung und -abgabe ermöglicht werden. Auch ermöglichen die oben beschriebenen Ausführungsformen eine Speicherung oder Abgabe von elektrischer Energie oder zumindest, dass chemische Reaktionen auftreten, was sich fundamental z. B. von den herkömmlichen Mikrokanal-Kühlkonstruktionen unterscheidet, die auf anderen technischen Gebieten vorgeschlagen worden sind.
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Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden und können eine Anzahl von Varianten beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen können verschiedene Kombinationen der obigen Merkmale vorgesehen sein, wie in den Zeichnungen veranschaulicht. Andere Varianten und detaillierte Beispiele werden im nächsten Abschnitt vorgestellt.
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2. Spezielle Ausführungsformen/Technische Einzelheiten der Realisierung
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Es kann eine Anzahl weiterer Varianten vorgesehen sein. Zum Beispiel kann die Fluidverteilung durch Einrichten des hydrodynamischen Widerstands verschiedener Fluidwege angepasst werden, z. B. durch Einbringen einer speziellen Schräge in die Verteilleitungskanäle oder Variieren des Öffnungsdurchmessers, welcher verschiedene Verteilleitungsschichten oder die unterste Verteilleitungsschicht mit der Reaktionsebene verbindet.
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Auch können, betreffend elektrochemische Anwendungen: verschiedene Elektrodenverdrahtungskonfigurationen vorgesehen sein, welche einen großen Bereich von Spannungskombinationen ermöglichen, wobei die niedrigste Spannung durch die Potentiale jeder Halbzellenreaktion definiert ist (typischerweise ~1 V).
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Eine Vielzahl von Versorgungsspannungen ist für Stromversorgungsanwendungen für integrierte Schaltungen von Vorteil. Eine Vielzahl von Ladungsspannungen ist auch für eine direkte Energiespeicherung (Elektrolyse) aus einer Vielfalt von Photovoltaikchips (Einfach- bzw. Mehrfachübergang, organisch, Dünnschicht) von Vorteil. Die Spannungs-Pins sind typischerweise an der Unterseite der Reaktionsschicht RP (d. h. einer Seite gegenüber den PV-Systemen) angeordnet: mit verschiedenen möglichen Layouts, wie in 12A bis 12C veranschaulicht.
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Außerdem sollte für Photovoltaikanwendungen, wie in 10 abgebildet, sorgfältig eine Nähe der Elektroden zu Stromversorgung/Senke sichergestellt werden, um Verdrahtungsverluste auf ein Mindestmaß zu beschränken.
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Auch können Elektroden- und Kanalintegrationsschemen durch eine Vielfalt von Techniken realisiert werden, wie z. B.:
- – Herkömmliche Mikrofabrikationstechniken (z. B. Lithographie, feuchtes/trockenes Ätzen, Metallisierung, Elektroplattierung);
- – Bearbeitung von massivem kohlenstoffhaltigem Material (z. B. durch Sauerstoffätzen, Laserablation) und
- – Herstellung nicht herkömmlicher Strukturen von unten nach oben (z. B. pyrolysierter strukturierter Fotoresist, Anwachsen von Nanoröhrchen oder Nanodrähten).
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Die Zuverlässigkeit der Packung kann ebenfalls berücksichtigt werden. Eine Lösung, bei der Silicium als Substratmaterial verwendet wird, ermöglicht eine gute Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Photovoltaikzellen (typischerweise Germanium) und dem Reaktor, wodurch die Spannung auf die Zellen verringert wird. Die Verwendung von Silicium ermöglicht ferner die Anwendung von MEMS-Verfahren zum Strukturieren der Reaktoroberfläche und zum Verwenden von Sensorelementen in dem Reaktor (Temperatur, Strahlung, Druck).
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Als Nächstes kann mit einer effizienten Verteilleitung eine Minimierung der Pumpleistung bei Maximierung der Temperaturhomogenität überall auf der Reaktoroberfläche erreicht werden, wie oben beschrieben, d. h. ein hierarchisches Fluidverteilungs-/Fluidaufnahmesystem mit zwei Hauptwegen (Fluideinlass und -auslass).
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Eine schichtweise Realisierung von Verteilungskanälen (Verteilleitung) und Injektionsöffnungen/Düsen ermöglicht:
- – Verwendung verschiedener Materialien und Herstellungsverfahren, um den breiten Bereich von Strukturabmessungen abzudecken (z. B. von 20 μm bis 20 mm oder mehr) und
- – eine Verwendung verschiedener Materialien ermöglicht im Gegenzug ein Erreichen einer niedrigen thermomechanischen Spannung in der Reaktorschicht, was die Lebensdauer der Packung erhöht.
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Eine vollständige Packung (umfassend die Reaktor- und Photovoltaiksystem-Komponenten) wird vorzugsweise unter Anwendung der MEMS-Technologie hergestellt, wobei die Definition und Verarbeitung von Mikrostrukturen, diskontinuierliche Verfahren, Bonding-Techniken, die Integration von Sensorelementen usw. genutzt werden.
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Unter Bezugnahme auf 10, weist diese Packung typischerweise auf:
- – eine obere Schicht, aufweisend:
– Photovoltaikzellen PC, welche alle zusammen ein Multichipmodul bilden, wobei die Zellen durch elektrische Verbindungen verbunden sind;
– Nebenwegelektroden (nicht dargestellt) und
– Eine elektrische Schicht (nicht dargestellt), um die unteren Elektroden der Photovoltaikzellen zu verbinden.
- – Eine untere Schicht kann ferner enthalten:
– eine Sensorschicht mit einem Netzwerk von resistiven Temperatureinheiten, um die Temperatur über die gesamte Packung direkt am Boden der Photovoltaikzelle abzubilden (nicht dargestellt), falls erforderlich; und
– eine Isolierungsschicht, um die Sensorschicht gegen eine elektrische Schicht zu isolieren (nicht dargestellt);
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Diese Schichten werden typischerweise unter Anwendung von Dünnschicht-Abscheidungstechniken sowie galvanischen Verfahren verarbeitet. Lötmittel können ebenfalls durch ein galvanisches Verfahren oder durch ein beliebiges herkömmliches Verfahren wie Siebdruck aufgebracht werden.
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In der Reaktorschicht RP können die Kreislaufabschnitte, die Wände usw. durch DRIE hergestellt werden, um die Wärmeableitung zu verbessern. Diese Kanäle können auch unter Verwendung mehrerer Trennsägen hergestellt werden.
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Öffnungen können ebenfalls durch DRIE hergestellt werden. Druckguss und andere Massenproduktionsverfahren können ebenfalls angewendet werden.
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Eine Multichipmodul-Packung, welche einen Reaktor umfasst, wie oben beschrieben, kann zum Beispiel aufweisen:
- – Hocheffiziente Dreifachübergangs-Solarzellen (oder „3JPV”, kommerziell erhältlich), die mit einem minimalen Abstand untereinander auf ein Substrat gelötet sind;
- – Elektrische Verbindungen (umfassend Kontaktflecken, Verbindungs-PE usw,) welche im Fall einer Parallelverbindung eine obere Elektrode einer Zelle mit einer oberen Elektrode einer anderen Zelle verbinden oder welche im Fall einer Reihenverbindung eine obere Elektrode einer Zelle mit einem elektrischen Kontaktfleck verbinden, welcher wiederum mit der unteren Elektrode einer anderen Zelle verbunden ist (300-μm-Drahtverbindung, gelötetes oder geschweißtes Cu-Band oder Leitungsrahmen).
- – Einen Träger (nicht dargestellt) zur mechanischen Unterstützung und zur Verbindung mit anderen Systemen, und welcher einen elektrochemischen Reaktor aufweist, wie bereits beschrieben, wobei die Verteilleitungsschichten M1, M2 aus Polymer, Metall, Verbundmaterialien usw. hergestellt sind.
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Schließlich sei angemerkt, dass in einer Packung wie oben beschrieben die Gegenwart eines elektrochemischen Reaktors eine Wärmesenke überflüssig macht.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Ersetzungen durch Äquivalente vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Deswegen soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen. Diesbezüglich müssen in Abhängigkeit von den Ausführungsformen nicht alle Komponenten oder Schritte beteiligt sein, die in den begleitenden Zeichnungen abgebildet sind. Außerdem können viele andere Varianten als die explizit oben aufgeführten vorgesehen sein. Zum Beispiel: könnten andere Materialien zur Herstellung der Strukturen in der Reaktionsschicht RP verwendet werden; könnten andere Muster der Kreislaufabschnitte CP zugrunde gelegt werden, z. B. gekrümmte (abgerundete) Kreislaufabschnitte CP1, CP2 usw.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- CR
- Chemischer Reaktor
- RP
- Reaktionsschicht
- E1, E2
- Wände (Elektroden)
- W1, W2
- Weitere Wände
- x, y
- die Reaktionsebene aufspannende Richtungen
- UC
- Einheitszelle
- UC'
- Einheitszelle (Variante)
- CC
- Chemische Zellen)
- CP
- Kreislaufabschnitte
- M1, M2
- Fluidverteilungskreislauf
- IA, IB
- Einlassöffnungen
- OA', OB'
- Auslassöffnungen
- M1
- Erste Verteilleitung
- M11–M14
- Parallele Kanäle der ersten Verteilleitung
- M2
- Zweite (Weitere) Verteilleitung
- M21–M25
- Parallele Kanäle der zweiten (weiteren) Verteilleitung
- PA
- Photovoltaikvorrichtung
- PMA
- Feld von Photovoltaikmodulen
- PM
- Photovoltaikmodule
- PS
- Photovoltaikfläche
- PE, BE
- Photovoltaikelektroden
- A
- Fluid A
- B
- Fluid B
- T1
- Elektrischer Verbindungsanschluss 1
- T2
- Elektrischer Verbindungsanschluss 2 (entgegengesetzte Polarität zu T1)
