DE112020007128T5

DE112020007128T5 - Überwachbares energieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE112020007128T5
Application number: DE112020007128.6T
Authority: DE
Inventors: Sachin KINGE
Original assignee: Toyota Motor Europe NV SA
Current assignee: Toyota Motor Europe NV SA
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2023-03-09
Also published as: WO2021219207A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein überwachbares Energieerzeugungssystem, umfassend eine Energieerzeugungsvorrichtung, welche Komponententeile umfasst; mindestens einen Quanten-Sensor, vorzugsweise Spin-Sensor und am bevorzugtesten Stickstoff-Leerstellen-Diamant („nitrogen vacancy diamond“, NVD)-Materialien; eine Strahlenquelle, welche konfiguriert ist, um dem Quanten-Sensor Anregung bereitzustellen; und einen Detektor, welcher konfiguriert ist, um durch den bzw. die Quanten-Sensor(en) emittierte Strahlung zu empfangen, wobei der mindestens eine Quanten-Sensor innerhalb mindestens einer der Komponententeile der Energieerzeugungsvorrichtung angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine überwachbares Energieerzeugungssystem, welches zur in-situ-Messung einer Energieerzeugungsvorrichtung-Aufbauteil des überwachbaren Energieerzeugungssystems fähig ist, wobei die Energieerzeugungsvorrichtung, innerhalb mindestens einer seiner Komponenten-Teile, Quanten-Sensoren enthält, welche in der Form von Submikro-Partikel bzw. Partikel im Submikrometerbereich sein können.
Stand der Technik
Saubere Energietechnologien, wie Brennstoffzellen, Lithium-Batterien und thermoelektrische Vorrichtungen, sind wichtig für die Umwelt, da sie in mehreren Industriesektoren, wie die autarke Energieerzeugung, Anwendungen im Transportsektor, massenskalierbare Vorrichtungen und Industriemaßstab-Energiegeneratoren, angewandt werden können. Diese verschiedenen Typen von Energietechnologien umfassen typischerweise allgemein ein oder mehrere Elektroden, Katalysatoren, Membranen und Elektrolyten in Kombination.
Für massenskalierbare Anwendungen wurde kontinuierliche Forschung zur Entwicklung neuer Materialien durchgeführt. Eine der Herausforderungen während der Entwicklung oder Qualitätskontrolle nach dem Verkauf wird die Analyse/das Überwachen der inneren Arbeitsbedingungen dieser Vorrichtungen sein, da es wichtig ist, zuvor mögliche Probleme zu erfassen, welche zum Fehlschlagen der Vorrichtungen führen können und Sicherheitsprobleme verursachen. Aus diesem Grund müssen Parameter, wie die Temperatur, das elektrisches Feld, das magnetisches Feld, ständig überwacht werden.
Herkömmliche Ansätze sind oftmals zeitbeanspruchend, raumbeanspruchend und/oder auf die Fähigkeit des Überwachens beschränkt. Zum Beispiel ist es oftmals erforderlich, um Information über verschiedene Teile einer Energieerzeugungsvorrichtung zu erhalten, erst die Vorrichtungen in Komponenten auseinanderzubauen/zu trennen und dann den Zustand einer jeden Komponente mittels einer externen Technik, wie Transmissionselektronenmikroskopie („Transmission Electron Microscopy“, TEM), Rasterkraftmikroskopie („Atomic Force Microscopy“, AFM) oder Rasterelektronenmikroskopie („Scanning Electron Microscopy“, SEM), zu untersuchen. Dies ist ein ziemlich zeitaufwändiger und zerstörender Ansatz. Es ist auch möglich, temperaturüberwachende Sensoren in die Vorrichtungen einzusetzen bzw. einzubauen, um Temperaturen von verschiedenen Teilen einer Energieerzeugungsvorrichtung ständig zu messen. Dies könnte jedoch Modifikationen einer Konfiguration erfordern, da die herkömmlichen Temperatur-überwachenden Sensoren raumbeanspruchend sind. Ferner sind diese herkömmlichen Sensoren oftmals in ihrer Fähigkeit des Überwachens beschränkt und können Nano-Maßstab-Information bzw. Information im Nano-Maßstab oder in-situ-Information über die Vorrichtungen nicht erfassen.
Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 ( CN 208368629 U ) eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung, welche die Betriebsaspekte einer Brennstoffzelle, wie Strom, Spannung und Temperatur, erfasst. Hier sind die Sensoren raumbeanspruchend, und es ist nicht möglich, Atom-Maßstab- oder Nano-Maßstab-Information über die Brennstoffzelle zu erhalten.
Patentliteratur 2 offenbart eine Brennstoffbatteriezellen-Überwachungsvorrichtung, versehen mit einer Trägerplatte mit einer Form eines Kammzahns, wobei die Trägerplatte Messanschlüsse von mehreren Zellen zur Messung von Spannung und Temperatur trägt. Auch hier ist der Sensor eher raumbeanspruchend, und es ist nicht möglich, Information im Atom-Maßstab oder Nano-Maßstab über die Brennstoffbatteriezelle zu erhalten.
Nicht-Patentliteratur 1 offenbart eine Dünnfilm-Mehrfachanschluss-Thermoelementanordnung für gleichzeitige in-situ, Mehr-Punkt Temperaturmessungen einer Feststoff-Oxid-Brennstoffzelle. Auch hier ist der Sensor eher raumbeanspruchend, obwohl in-situ-Messung möglich ist, und es ist nicht möglich, Information im Atom-Maßstab oder Nano-Maßstab über die Brennstoffbatteriezelle zu erhalten.
Spin-Sensoren können im Prinzip ermöglichen, lokale Umgebungen im Atom-Maßstab oder Nano-Maßstab über die Sensibilität von Spins dazu zu erfassen. Da die Erfassung eines Spin-Zustands mit optischen Techniken erfasst wird, arbeiten Spin-Sensoren in einem Nicht-Kontakt-Modus. Einige Technologien, wie Spin-polarisiertes Rastertunnelmikroskopie, verwenden Spin im Rastern bzw. Abtasten. Derartige Techniken können jedoch nicht im Inneren einer Batterie oder Brennstoffzellen eingesetzt werden.
NV-Zentren sind Punkt-Defekte im Diamant-Gitter. Sie bestehen aus einem substitutionellen bzw. austauschbaren Stickstoff (N)-Atom verbunden mit einer Fehlstelle (V) in einem seiner acht nächsten Nachbarstellen des Diamant-Kristallgitters. Es kann in einem geladenen Zustand, wie N-V (0) und N-V (-1), sein. N-V(0) weist ein ungepaartes Elektron auf; im Falle von N-V(-1) ist das zusätzliche Elektron an einer Fehlstelle. Der N-V(-1)-Zustand wird häufig als ein N-V-Zentrum bezeichnet und ist sehr empfindlich hinsichtlich Spin-Erfassung.
Ein NV-Zentrum kann unter Verwendung von Photolumineszenz erfasst werden und der Elektronen-Spin des NV-Zentrums ist empfindlich hinsichtlich des elektrischen Feldes, des magnetischen Feldes, Strahlungen, Erwärmung, Spannung etc. Die optischen Spektren eines derartigen Zentrums bestehen aus scharfen Linien im MHz- und GHz-Bereich, und diese können Information über die Änderungen im NV-Zentrum aufgrund von externen Feldern geben.
NV-Diamant-Sensoren sind eine Art von Spin-Sensor, welche synthetische Diamanten verwenden, wobei eine Stickstoff-Fehlstelle mittels eines bekannten Verfahrens in dem Gebiet erzeugt werden kann, zum Beispiel mittels Verwendung von Ionen-Implantationstechniken (d.h. Ionen-Bestrahlung mit anschließendem Glühen), wie in Nicht-Patentliteratur 2 beschrieben.
Patentliteratur 3 offenbart ein System zur magnetischen Erfassung eines Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Diamantmaterials, umfassend eine Mehrzahl an NV-Zentren, aufweisend eine Radiowellen (RF)-Anregungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem NV-Diamantmaterial RF-Anregung bereitzustellen, welche die Population der Sub-Bänder innerhalb der Energiezustände, welche aufgrund von elektrischen/magnetischen/Temperatur-/Spannungs-Feldern getrennt sind, ändert, eine optische Anregungsquelle (Laser), welche konfiguriert ist, um dem NV-Diamantmaterial optische Anregung bereitzustellen, einen optischen Detektor, welcher konfiguriert ist, um ein von dem NV-Diamantmaterial emittiertes optisches Signal zu empfangen, und eine Steuereinheit bzw. Steuerung.
Patentliteratur 3 offenbart jedoch eine Anwendung eher zur Überwachung des magnetischen Feldes, und eine Anwendung auf eine Energieerzeugungsvorrichtung (wie Brennstoffzellen, Lithium-Batterien, thermoelektrische Vorrichtungen etc.) wurde nicht offenbart.
Die vorliegende Erfindung stellt ein überwachbares Energieerzeugungssystem, enthaltend einen Spin-Sensor, und insbesondere einen NV-Diamant-Sensor, bereit. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, Information im Atom-Maßstab oder Nano-Maßstab über den Zustand der Elektroden, Membranen, Katalysatorsysteme zu erhalten und an anderen Stellen von Interesse die Bedingungen der Ziel-Vorrichtung, wie Brennstoffzellen, Batterien, thermoelektrischen Vorrichtungen etc., zu überwachen.
Nicht-Patentliteratur 3 stellt die Formationskinetik von NV-Zentren im Diamanten und deren Transformation von einem Änderungszustand zu einem anderen dar.
Nicht-Patentliteratur 4 zeigt hoch-einstellbare Formation von Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Zentren unter Verwendung von 20 keV ¹⁵N⁺-Ionen-Implantation mittels Anordnungen von hochauflösenden Blenden, welche mit Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt wurden, dar.
Nicht-Patentliteratur

Nicht-Patentliteratur 1: Manoj et al., M. Ranaweera, I. Choi and J. Kim, „Cell integrated thin-film multi-junction thermocouple array for in-situ temperature monitoring of solid oxide fuel cells“, 2015 IEEE SENSORS, Busan, 2015, Seite 1 bis 4, doi: 10.1109/ICSENS.2015.7370102
Nicht-Patentliteratur 2: Schwartz J., Aloni S., Ogletree D. F., Schenke T., „Effects of low-energy electron irradiation on formation of nitrogen-vacancy centers in singlecrystal diamond“, New J. Phys. 2012, 14, 043024.
Nicht-Patentliteratur 3: A. Haque, S. Sumaiya, „An overview on the Formation and Processing of Nitrogen-Vacancy Photonic Centers in Diamond by Ion Implantation“, J. Manuf. Mater. Process. 2017, 1,6
Nicht-Patentliteratur 4: S. Sangtawesin, T. O. Brundage, Z. J. Atkins and J. R. Petta, „Highly-tunable formation of nitrogen-vacancy centers via ion implantation“, Appl. Phys. Lett. 105, 063107 (2014)

Patentliteratur

Patentliteratur 1: CN 208 368 629 U
Patentliteratur 2: JP 2006-140166 A
Patentliteratur 3: WO 2016/118791 A1

Figurenliste

1 stellt eine NV-Diamant-Struktur dar.
2 stellt eine Sensor-Architektur zur in-situ-Analyse dar, wobei a) Nano-Diamanten mit einer Größe von 1 nm bis 100 nm mit einem oder mehreren NV-Zentren, welche dem gewählten Substrat an willkürlichen oder an vorbestimmten Positionen zugegeben wurden oder anhaften, darstellt, b) eine (Mikrowellen) RF-Quelle, welche mit einer Laserquelle ausgestattet ist, darstellt, welche Anregung an NV-Zentren bereitstellt, c) ein Sammler von Fluoreszenzlicht, welches von den NV-Zentren über konfokale Mikroskopie emittiert wird, darstellt, und d) eine Steuereinheit, welche mit einem Computer ausgestattet ist, darstellt.
3 stellt dar, wie die gewünschte lokale Information im Nano-Mikro-Maßstab unter Verwendung von Spin-Sensoren überwacht werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das überwachbare Energieerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung umfasst:

- einen Energiegenerator, welcher innerhalb mindestens einer seiner Komponententeile einen oder mehrere Quanten-Sensoren umfasst;
- eine Strahlungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem/den Quanten-Sensor(en) Anregung bereitzustellen; und
- einen Detektor, welcher konfiguriert ist, um von dem/den Quanten-Sensor(en) emittierte Strahlung zu empfangen.

In einer Ausführungsform ist der Quanten-Sensors ein Spin-Sensor, und insbesondere ein NVD-Sensor.
Das überwachbare Energieerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung ermöglicht, in-situ-Information im Mikro-Nano-Maßstab des Status einer Energieerzeugungsvorrichtung zu erhalten, ohne die Vorrichtung zu zerstören, und stellt deshalb ein Verfahren zur Überwachung, welches nicht zeitaufwändig oder platzverbrauchend bzw. raumbeanspruchend ist, bereit.
Energiegenerator
Ein Energiegenerator ist eine Vorrichtung, welche Energie in jeglicher Form erzeugt. Ein Energiegenerator kann zum Beispiel eine Lithium-Batterie, eine Brennstoffzelle, oder ein thermoelektrischer Generator sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Energiegenerator umfassen eines oder mehrere von:

- Elektroden;
- Katalysatoren;
- Membranen; und
- eine Elektrolyt-Kombination.

Lithium-Batterie
Lithium-Batterien sind Primärbatterien, welche metallisches Lithium als eine Anode aufweisen. Diese Typen von Batterien werden auch als Lithium-Metall-Batterien bezeichnet.
Eine Lithium-Batterie kann umfassen:

- eine Kathode, ein Positivelektrodenaktivmaterial enthält;
- eine Anode, welche normalerweise Lithium enthält; und
- ein Elektrolytmedium, welches zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.

In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei der Energiegenerator eine Lithium-Batterie ist, können die Quanten-Sensoren, wie Spin-Sensoren und am bevorzugtesten NVD-Sensoren, irgendwo in der Lithium-Batterie, wie in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht, der Positivelektrodenaktivmaterialschicht, oder in dem Elektrolyten, in den Membranen, in den Separatoren oder Vorrichtungsgehäusen, angeordnet bzw. integriert bzw. eingebaut werden.
> Kathode
Ein Positivelektrodenaktivmaterial in einer Lithium-Batterie kann zum Beispiel wärmebehandeltes Mangandioxid; Kohlenstoffmonofluorid bzw. Graphitfluorid; Eisendisulfid; Thionylchlorid; Thionylchlorid mit Bromchlorid; Sulfurylchlorid; Schwefeldioxid auf Teflon^®-gebundenem Kohlenstoff; Iod, welches mit Poly-2-vinylpyridin (P2VP) gemischt und erwärmt wurde, um einen festen organischen Charge-Transfer-Komplex zu bilden; Silberchromat, Silberoxid + Vanadiumpentoxid (SVO); Kupfer(II)oxid; Kupferoxyphosphat; Kupfersulfid; Bleisulfid und Kupfersulfid; Eisensulfid, Bleibismutat; Bismuttrioxid; Vanadiumpentoxid; Kupferchlorid; Mangandioxid; Vanadiumpentoxid; und Selen enthalten.
> Anode
Eine Anode in einer Lithium-Batterie enthält gewöhnlich Lithium.
> Elektrolytmedium
Ein Elektrolytmedium in einer Lithium-Batterie kann zum Beispiel Lithiumperchlorat in einem organischen Lösungsmittel (Propylencarbonat und Dimethoxyethan in vielen herkömmlichen Zellen) sein; Lithiumtetrafluorborat in Propylencarbonat, Dimethoxyethan, oder gamma-Butyrolacton; Propylencarbonat, Dioxolan, Dimethoxyethan; Lithiumtetrachloraluminat in Thionylchlorid; Lithiumtetrachloraluminat in Thionylchlorid; Lithiumbromid in Schwefeldioxid mit einer kleinen Menge Acetonitril; eine feste monomolekulare Schicht von kristallinem Lithiumiodid, welches Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode leitet, aber nicht Iod leitet; Lithiumperchlorat-Lösung; Lithiumhexafluorphosphat oder Lithiumhexafluorarsenat in Propylencarbonat mit Dimethoxyethan; Lithiumperchlorat, welches in Dioxolan gelöst ist; Lithiummetall; Propylencarbonat, Dioxolan, Dimethoxyethan; LiAlCl₄ oder LiGaCl₄ in SO₂, ein flüssiger, anorganischer, nicht-wässriger Elektrolyt; nicht-wässrige Carbonat-Elektrolyte; und organische, wässrige, Glas-Keramik (Polymerkeramische Komposite).
Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Energie eines Brennstoffs (oft Wasserstoff) und eines oxidierenden Agens (oft Sauerstoff) mittels ein paar Redox-Reaktionen in Elektrizität wandelt.
Eine Brennstoffzelle kann umfassen:

- eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht;
- eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht; und
- einen Elektrolyten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Quanten-Sensoren, wie Spin-Sensoren und am bevorzugtesten NVD-Sensoren in einer Brennstoffzelle verwendet. Diese Quanten-Sensoren, wie Spin-Sensoren und am bevorzugtesten NVD-Sensoren, können irgendwo in der Brennstoffzelle, wie in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht, der Positivelektrodenaktivmaterialschicht, im Elektrolyten, Membranen, Separatoren oder Vorrichtungsgehäusen, integriert werden. Eine bevorzugte Brennstoffzelle, welche als Energieerzeugungsvorrichtung in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle („proton exchange membrane fuel cell“, PEMFC). Andere Typen von Brennstoffzellen können jedoch ebenfalls unter Verwendung der Technologie der vorliegenden Erfindung überwacht werden.
> Positivelektrodenaktivmaterial
Ein Positivelektrodenaktivmaterial in einer Brennstoffzelle kann zum Beispiel Kohlenstoff-Träger, Pt-Partikel, Nafion^®-Ionomer, und Teflon^®-Bindemittel sein.
> Negativelektroden-Aktivmaterial
Ein Negativelektrodenaktivmaterial in einer Brennstoffzelle kann zum Beispiel Kohlenstoff-Träger, Pt-Partikel, Nafion^®-Ionomer, und Teflon^®-Bindemittel sein.
> Elektrolyt
Ein Elektrolytmedium in einer Brennstoffzelle kann zum Beispiel eine wässrige alkalische Lösung, wie Kaliumhydroxid, eine Polymermembran (Ionomer) wie Nation^® oder Aquivion^® sein. Das Elektrolytmedium in einer Brennstoffzelle kann zum Beispiel geschmolzene Phosphorsäure (H₃PO₄), H⁺-leitendes Oxyanion-Salz (feste Säure), geschmolzenes alkalisches Carbonat, O₂-leitendes Keramikoxid, H⁺-leitendes Keramikoxid und ein Salzwasser sein.
Thermoelektrischer Generator
Ein thermoelektrischer Generator (TEG), auch als Seebeck-Generator bezeichnet, ist eine Feststoff-Vorrichtung, welche einen Wärmefluss (Temperaturunterschiede) direkt in elektrische Energie mittels eines Phänomens, welches als der Seebeck-Effekt bezeichnet wird (eine Form des thermoelektrischen Effekts), umwandelt.
Ein thermoelektrischer Generator kann thermoelektrische Materialien (wie Materialien, basierend auf Bismuttellurid (Bi₂Te₃), Bleitellurid (PbTe), und Siliziumgermanium (SiGe), thermoelektrische Module (verschiedene thermoelektrische Materialien, welche an deren Enden verbunden sind), und thermoelektrische Systeme (Wärmequelle ist ein thermoelektrisches Modul und Wärmesenke ist Luft oder Wasser) enthalten.
Die Quanten-Sensoren, wie Spin-Sensoren und am bevorzugtesten NVD-Sensoren, können irgendwo in der Brennstoffzelle, wie in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht, der Positivelektrodenaktivmaterialschicht, im Elektrolyten, Membranen, Separatoren oder Vorrichtungsgehäusen, integriert sein bzw. werden.
Quanten-Sensor
Ein Quanten-Sensor ist eine Quantenvorrichtung, welche auf einen Impuls bzw. Reiz bzw. Stimulus antwortet. Gewöhnlich bezieht sich das auf einen Sensor, welcher quantisierte bzw. gequantelte Energieniveaus aufweist, Quanten-Kohärenz verwendet, um eine physikalische Größe zu messen, oder Verschränkung bzw. Verwicklung verwendet, um Messungen, welche jenseits klassischer Sensoren realisiert werden können, zu verbessern. Es gibt vier Kriterien für Quanten-Sensoren:

1. Das System muss diskrete, auflösbare Energieniveaus aufweisen.
2. Man kann den Sensor initialisieren bzw. eröffnen und man kann das Auslesen durchführen (Anschalten und Empfangen der Antwort).
3. Man kann den Sensor kohärent manipulieren.
4. Der Sensor wechselwirkt mit einer physikalischen Größe und weist auf diese Größe eine Antwort auf.

In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Quanten-Sensor(en) in der Form eines Submikro-Größen-Partikels, dessen in jeglicher Richtung über dessen dreidimensionale Partikelstruktur gemessener maximaler Partikeldurchmesser kleiner als 1 µm, und bevorzugter kleiner als 500 nm, und bevorzugter kleiner als 200 nm ist, wobei der maximale Partikeldurchmesser mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wird.
Ein Quanten-Sensor kann zum Beispiel ein Spin-Sensor, ein Stickstoff-Fehlstellen-Diamant (NVD)-Sensor, oder ein Avalanche-Photodioden (APD)-Sensor sein. Vorzugsweise ist ein Quanten-Sensor ein NVD-Sensor, welcher inert gegenüber seiner Umgebung (d.h. keine Wechselwirkung mit seiner Umgebung) ist, und deshalb die Realisierung bzw. Implementierung erleichtert. Ebenso vorteilhaft sind NVD-Materialien, welche als chemisch inert gegenüber reaktiven Chemikalien, welche in Elektroden und Elektrolyten enthaltenden Energieerzeugungsvorrichtungen, wie Lithium-Batterien und Brennstoffzellen, verwendet werden, angenommen werden.
NVD-Sensoren
> Stickstoff-Leerstellen-Diamant („Nitrogen Vacancy Diamond“, NVD)-Erfassungszentrum
Ein Stickstoff-Fehlstellen-Erfassungszentrum ist eines von mehreren Punktdefekten im Diamanten.
In der vorliegenden Erfindung kann ein NVD-Erfassungszentrum ein einzelner oder mehrere Spins sein und sind im Inneren kleiner Diamant-Partikel angeordnet. Diese Diamant-Partikel können eine geeignete Größe von kleiner als 1 µm, und bevorzugter kleiner als 500 nm, und bevorzugter kleiner als 200 nm aufweisen, wobei sich diese Größen bzw. Dimensionen auf die maximale Partikel-Dimension, welche in jeglicher Richtung über die dreidimensionale Partikelstruktur gemessen wird, beziehen. Die Partikelgröße der NVD-Sensoren kann zum Beispiel mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen werden. Vorteilhafterweise weisen NVD-Partikel, welche als Spin-Sensoren in der Erfindung verwendet werden sollen, eine minimale Größe von mindestens 1 nm auf, welche in jeglicher Richtung über die dreidimensionale Partikelstruktur gemessen wird. Am geeignetsten weisen NVD-Partikel, welche als Spin-Sensoren in der Erfindung verwendet werden sollen, eine minimale und eine maximale Größe, welche in jeglicher Richtung über die dreidimensionale Partikelstruktur gemessen wird, auf: von 1 nm oder mehr und 100 nm oder weniger, und vorzugsweise von 20 nm oder mehr und 80 nm oder weniger, und bevorzugter von 30 nm oder mehr und 70 nm, und am bevorzugtesten von 10 nm oder mehr und 60 nm oder weniger.
Diamant-Partikel von 1 nm bis 100 nm oder 2-D-Diamanten in Mikrometern sind inert. Es gibt verschiedene Vorteile - wenn kleine Zentren bzw. Zentren von kleiner Größe verfügbar sind, können sie an verschiedenen Orten dispergiert werden und räumliche Information kann erhalten werden.
In einer anderen Ausführungsform können 2-D-Schichten als Träger verwendet werden, auf welchen die Aktivmaterialien angeordnet sein können, und mehrere Zentren in den 2-D-Materialien können räumliches Mapping ermöglichen.
Ein NVD-Sensor kann die nachstehenden Elemente, wie in 2 angegeben, umfassen:

a) ein Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Diamantmaterial, welches ein oder eine Mehrzahl an NV-Zentren umfasst;
b) eine Mikrowellen (MW-Quelle)-Erzeugungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem NV-Diamantmaterial Anregung bereitzustellen;
c) eine optische Anregungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem NV-Diamantmaterial optische Anregung bereitzustellen;
d) einen optischen Detektor, welcher konfiguriert ist, um ein von dem NV-Diamantmaterial emittiertes optisches Signal zu empfangen; und
e) eine Steuerung, welche konfiguriert ist, um einen Gradienten des optischen Signals zu erfassen.

b) Radiofrequenz (RF)-Anregungsquelle
Die Radiofrequenz-Anregungsquelle kann eine Frequenz von 1 Megahertz oder mehr und 1000 Gigahertz oder weniger aufweisen. Eine derartige RF-Anregungsquelle kann käuflich erworben werden: als ein Beispiel, ein willkürlicher Wellenform-Generator (AWG, Textronix AWG5014)
c) Optische Anregungsquelle
Die optische Anregungsquelle kann eine Frequenz von 400 nm oder mehr und 1100 nm oder weniger aufweisen. Zum Beispiel kann ein einstellbarer Laser geeignete Zustände für NV-Zentren unterschiedlicher selektiver Übergänge anregen, wie 546 nm, 689 nm, 1024 nm in verschiedenen NV-Zuständen. Eine derartige optische Anregungsquelle kann zum Beispiel käuflich erworben werden: Laser der TLB-Serien von Newport;
d) Optischer Detektor.
Der optische Detektor kann zum Beispiel käuflich erwerbbar sein: Micros-Serien von Horiba.
Gesammelte Information
Die nachstehenden Informationen können gesammelt werden: Temperaturmuster, Magnetfeld, elektrische Ladungen, Zustand der Stapel-Komponenten
Überwachbares Energieerzeugungssystem
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann jegliche Energieerzeugungsvorrichtung mit jeglichem Quanten-Sensor, wie einem Spin-Sensor, kombiniert werden, um ein überwachbares Energieerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
In einer Ausführungsform weist die Energieerzeugungsvorrichtung eine kleine Öffnung auf, welche konfiguriert ist, um optische Fasern aufzunehmen, welche konfiguriert sind, um gewünschte Informationen über den Zustand der Energieerzeugungsvorrichtung zu sammeln und übermitteln bzw. bereitzustellen.
In besonderen Ausführungsformen ist die Energieerzeugungsvorrichtung eine Brennstoffzelle oder eine Batterievorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 208368629 U [0005, 0016]
JP 2006140166 A [0016]
WO 2016118791 A1 [0016]

Claims

Überwachbares Energieerzeugungssystem, umfassend: eine Energieerzeugungsvorrichtung, umfassend Komponententeile; mindestens einen Quanten-Sensor; eine Strahlungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem Quanten-Sensor Anregung bereitzustellen; und einen Detektor, welcher konfiguriert ist, um eine von dem mindestens einen Quanten-Sensor emittierte Strahlung zu empfangen, wobei der mindestens eine Quanten-Sensor innerhalb mindestens einer der Komponententeile der Energieerzeugungsvorrichtung angeordnet ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Quanten-Sensor in der Form von Submikro-Größen-Partikel ist, dessen in jeglicher Richtung über dessen dreidimensionale Partikelstruktur gemessener, maximaler Partikeldurchmesser weniger als 1 µm, und vorzugsweise kleiner als 500 nm, und bevorzugter kleiner als 200 nm ist, wobei der maximale Partikeldurchmesser mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wird.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Quanten-Sensor ein Spin-Sensor ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 3, wobei der Spin-Sensor ein Stickstoff-Fehlstellen-Diamant (NVD)-Material ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei das NVD-Material einen maximalen Partikeldurchmesser von 1 nm oder mehr und 100 nm oder weniger aufweist, wobei der maximale Partikeldurchmesser mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wird.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei NVD-Sensoren irgendwo in der Brennstoffzelle, wie in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht, der Positivelektrodenaktivmaterialschicht, in den Elektrolytmembranen, Separatoren, oder Vorrichtungsgehäusen integriert werden können.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strahlungsquelle, welche konfiguriert ist, um dem mindestens einen Quanten-Sensor Anregung bereitzustellen, eine Radiowellen (RF)-Anregungsquelle oder eine optische Anregungsquelle, wie eine Laserquelle, ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor, welcher konfiguriert ist, um von dem mindestens einen Quanten-Sensor emittierte Strahlung zu empfangen, ein optischer Detektor ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energieerzeugungsvorrichtung eine Lithium-Batterie ist, umfassend: eine negative Elektrode, welche ein Negativelektrodenaktivmaterial enthält; eine positive Elektrode, welche ein Positivelektrodenaktivmaterial enthält; und ein Elektrolytmedium, welches zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 9, wobei das Positivelektrodenaktivmaterial eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus wärmebehandeltem Mangandioxide; Kohlenstoffmonofluorid; Eisendisulfid; Thionylchlorid; Thionylchlorid mit Bromchlorid; Sulfurylchlorid; Schwefeldioxid auf Teflon^®-gebundenen Kohlenstoff; Iod, welches mit Poly-2-vinylpyridin (P2VP) gemischt und erwärmt wurde, um einen festen organischen Charge-Transfer-Komplex zu bilden; Silberchromat, Silberoxid + Vanadiumpentoxid (SVO); Kupfer(II)oxid; Kupferoxyphosphat; Kupfersulfid; Bleisulfid und Kupfersulfid; Eisensulfid, Bleibismutat; Bismuttrioxid; Vanadiumpentoxid; Kupferchlorid; Mangandioxid; Vanadiumpentoxid; und Selen, umfasst.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Negativelektrodenaktivmaterial Lithium ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Elektrolytmedium mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumperchlorat in einem organischen Lösungsmittel, wie Propylencarbonat und Dimethoxyethan; Lithiumtetrafluorborat in Propylencarbonat, Dimethoxyethan, oder gamma-Butyrolacton; Propylencarbonat, Dioxolan, Dimethoxyethan; Lithiumtetrachloraluminat in Thionylchlorid; Lithiumtetrachloraluminat in Thionylchlorid; Lithiumbromid in Schwefeldioxid mit Acetonitril; eine feste monomolekulare Schicht von kristallinem Lithiumiodid; Lithiumperchlorat-Lösung; Lithiumhexafluorphosphat oder Lithiumhexafluorarsenat in Propylencarbonat mit Dimethoxyethan; Lithiumperchlorat gelöst in Dioxolan; Lithium-Metall; Propylencarbonat, Dioxolan, Dimethoxyethan; LiAlCl₄ oder LiGaCl₄ in SO₂; nicht-wässrige Carbonat-Elektrolyte; und organische, wässrige Glas-Keramik (Polymer-Keramik-Komposite), umfasst.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energieerzeugungsvorrichtung eine Brennstoffzelle ist, umfassend: eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht; eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht; und einen Elektrolyten.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 13, wobei das Negativelektrodenaktivmaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoff-Trägern, Pt-Partikeln, Nafion^®-Ionomer, und Teflon^®-Bindemittel, ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Positivelektrodenaktivmaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoff-Trägern, Pt-Partikeln, Nafion^®-Ionomer, und Teflon^®-Bindemittel, ist.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Elektrolyt mindestens eines umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einer wässrigen alkalischen Lösung, wie Kaliumhydroxid, eine Polymermembran (Ionomer), wie Nation^®, Aquivion^®; geschmolzener Phosphorsäure (H₃PO₄); H⁺-leitendem Oxyanion-Salz (feste Säure); geschmolzenem alkalischem Carbonat; O₂-leitendem Keramikoxid; H⁺-leitendem Keramikoxid; und einem Salzwasser.
Überwachbares Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energieerzeugungsvorrichtung ein thermoelektrischer Generator ist, umfassend: thermoelektrische Materialien, wie Materialien, basierend auf Bismuttellurid (Bi₂Te₃), Bleitellurid (PbTe), und/oder Siliziumgermanium (SiGe); thermoelektrische Module in der Form von verschiedenen thermoelektrischen Materialien, welche an deren Enden verbunden sind; und thermoelektrische Systeme, wobei die Wärmequelle ein thermoelektrisches Modul ist und die Wärmesenke Luft oder Wasser ist.