EP4150691A1 - Flexibles system zur erzeugung elektrischer energie, vorrichtung zur abgabe elektrischer energie, verfahren zur herstellung des flexiblen systems sowie verwendungen hiervon - Google Patents

Flexibles system zur erzeugung elektrischer energie, vorrichtung zur abgabe elektrischer energie, verfahren zur herstellung des flexiblen systems sowie verwendungen hiervon

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EP4150691A1
EP4150691A1 EP21726614.7A EP21726614A EP4150691A1 EP 4150691 A1 EP4150691 A1 EP 4150691A1 EP 21726614 A EP21726614 A EP 21726614A EP 4150691 A1 EP4150691 A1 EP 4150691A1
Authority
EP
European Patent Office
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anode
gas diffusion
water
diffusion layer
exchange membrane
Prior art date
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Pending
Application number
EP21726614.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Ziesche
Adrian Goldberg
Lars RÖNTZSCH
Marcus Vogt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4150691A1 publication Critical patent/EP4150691A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/065—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by dissolution of metals or alloys; by dehydriding metallic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B3/06—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen with inorganic reducing agents
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a flexible, i.e. bendable system for generating electrical energy, i.e. a system which can be bent without impairing its function, a device for delivering electrical energy comprising a plurality of the flexible systems, a method for producing the flexible system and uses thereof.
  • primary batteries or accumulators have mostly been used, but they can only provide limited specific amounts of energy and / or are costly and / or toxic and / or have limited storage are capable (e.g. alkaline manganese batteries with approx. 150 Wh / kg, 350 Wh / L, zinc-air batteries with approx. 400 Wh / kg, 1200 Wh / K and lithium thionyl chloride batteries with approx. 600 Wh / kg, 1100 Wh / L).
  • fuel cells are known which are coupled to a chemical disposable storage device for generating hydrogen by hydrolysis of a chemical substance (see WO 2014/198948 A1).
  • Metal hydrides offer the advantage of extremely high material-specific energy densities and specific energies, particularly in the case of hydrolysis in fuel cell applications.
  • magnesium hydride has the material-specific energy content of 2900 Wh / L or 2300 Wh / kg (including loss of efficiency) in the following chemical reaction when the resulting hydrogen is converted into electricity in a fuel cell:
  • Fuel cells are coupled to hydrolysis-based hydrogen gas generators that extract the (ambient air) moisture from the fuel cell or air by means of a selectively water-permeable membrane and transport the hydrogen produced into the fuel cell by means of an electromechanical conveyor device (see WO 2006/091227 A1).
  • the disadvantage here are mechanically moving parts in the conveyor, which lead to a higher system weight, require additional space, cause additional costs and are prone to defects and wear.
  • US 2003/0228252 A1 describes a metal hydride encased by a water-permeable membrane as a hydrogen generator, for example for fuel cell applications.
  • the disadvantage here is that a hydrogen generator is required as a further component in addition to the fuel cell. This leads under Among other things, it leads to high manufacturing costs and makes system integration difficult, especially for very small applications.
  • DE 10 2006 041 503 relates to a fuel cell system, a fuel cell system and a method for producing a fuel cell system.
  • the object is achieved by a flexible system for generating electrical energy with the features of claim 1, a device for outputting electrical energy with the features of claim 29, a method for producing a system according to the invention with the Merkma len of claim 33 and the use of a system according to the invention having the features of claim 37.
  • the dependent claims show advantageous developments of the invention.
  • the invention thus relates to a flexible system for generating electrical energy, comprising a) an electrically conductive anode permeable to gases; b) an electrically conductive first gas diffusion layer arranged on the anode; c) a proton exchange membrane which is permeable for protons and for water and largely impermeable for hydrogen and which is arranged on the first gas diffusion layer; d) a second electrically conductive gas diffusion layer arranged on the proton exchange membrane; e) a for water and / or water vapor and oxygen permeable cathode, which is arranged on the second electrically conductive gas diffusion layer; and f) a removable barrier that is at least impermeable to water and / or water vapor and is arranged on the cathode, the anode having at least one space compartment that contains a plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture that is suitable for this purpose To release hydrogen through contact with water, and / or the plastically deformable or flowable,
  • the overall assembly of the system according to the invention is designed to be flexible, ie it can be bent in a non-destructive manner and without impairing the function, the above-mentioned object can be achieved.
  • the system according to the invention can thus be used in many ways, especially in application areas in which flexibility of a system to be used is required.
  • the hydrogen required for operation on the anode side is produced by a chemical reaction of at least one substance of the plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture with the water and / or with the moisture of the fluid on the cathode side during operation of the system generated.
  • the fluid on the cathode side can in particular be moist ambient air, which always contains a certain water vapor content;
  • other oxygen-containing gas mixtures that also contain gaseous and / or condensed, atomized and / or otherwise finely divided water are also possible.
  • the term substance includes not only pure chemical substances, but also complex chemical substances of variable composition to which a clear CAS registration number has been or can be assigned.
  • humid ambient air is understood to mean air with a relative humidity in the range between 5 and 100% with a standard reference atmosphere of 1000 hPa and 20 ° C (based on ISO 8778: 2005).
  • the remaining subsystem from the middle of the proton exchange membrane and / or its immediate surroundings in which the oxidation of hydrogen takes place is understood as the hydrogen side (synonymous with the anode side).
  • the remaining subsystem from the middle of the proton exchange membrane and / or its immediate surroundings in which the reduction of oxygen takes place is understood as the oxygen side (synonymous with the cathode side).
  • the anode (synonymous with anode space) is the entire gas space and / or space that is connected to the first gas diffusion layer without any further valves or other shut-off devices and that contains the plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture, the hydrogen side of the system which can be designed as a hydrogen flow field, for example, and contains or comprises at least one layer that is electrically conductively connected to the first gas diffusion layer and the catalyst coating of the first gas diffusion layer and / or on the proton exchange membrane on the hydrogen side.
  • the cathode or cathode space is the space with open structures on the oxygen side of the system that are freely accessible for oxygen-containing fluids, which contains or comprises at least one layer that is electrically conductive with the second gas diffusion layer and the catalyst coating on and / or on the second gas diffusion layer the proton exchange membrane on the oxygen side is connected.
  • the contacting of the at least one hydrogen-releasing substance in the anode compartment with water releases hydrogen, which can be used to operate the fuel cell.
  • the water required for this can come from the cathode compartment of the system.
  • water is produced during the operation of the system, which can be used to come into contact with the hydrogen-releasing substance located in the anode compartment and thus to release hydrogen (again).
  • the water content of the fluid on the cathode side required for the hydrogen release reaction can thus be reduced or, in other words, the water produced during operation of the fuel cell is recuperated for the chemical reaction to release hydrogen.
  • Moisture from the cathode compartment can diffuse through the proton exchange membrane into the anode compartment, which can be greatly accelerated by a hygroscopic and / or deliquescent component in the anode compartment.
  • the water transported in this way into the anode compartment then generates the hydrogen necessary for the operation of the fuel cell directly by reaction with the least one substance of the substance mixture which releases hydrogen on contact with water.
  • hygroscopic refers to substances which, when stored in humid ambient air, attract humidity, accumulate water and preferably gradually dilute, dissolve and / or clump.
  • the increase in mass of these substances due to absorbed water is preferably more than 1% by weight when the substances are stored in moist ambient air as defined above and a relative humidity of 65% within the first hour.
  • the at least one moisture-impermeable or only slightly moisture-permeable barrier can be removed, damaged or made permanently or temporarily otherwise more permeable to moisture, for example by a switching process, which in particular is applied by applying an electrical voltage the barrier can be triggered.
  • the barrier can be part of the device, encasing it, e.g. closing the cathode side of the system. After this barrier (for example a membrane or foil) has been removed, damaged, pierced or otherwise made permeable to moisture, moisture can reach its proton exchange membrane via the cathode space of the system.
  • the removable barrier which is at least impermeable to water and water vapor, can in particular be implemented as a reversibly or irreversibly detachable film. This can also be done with an adhesive coating, for example, in order to enable reuse.
  • the anode compartment Before electricity is generated, the anode compartment can be filled with a certain supply of substance which releases hydrogen on contact with water. In particular, no further substance which releases hydrogen on contact with water is fed to the anode compartment, in particular during operation of the fuel cell contained therein.
  • the functional principle of the system is therefore somewhat pronounced of that of a primary battery, in which the amount of energy is also determined by the amount of substance. is given and what enables a simpler and more cost-effective production for the system according to the invention due to the possible dispensing with mechanically movable parts for conveying substances.
  • a preferred embodiment provides that the bending radius of the anode, first gas diffusion layer, proton exchange membrane, second gas diffusion layer and cathode, which can be achieved without destroying or impairing the function of the fuel cell, is less than 100 mm, preferably less than 50 mm, particularly in at least one spatial direction is preferably less than 10 mm.
  • the total thickness of the anode, first gas diffusion layer, proton exchange membrane, second gas diffusion layer and cathode is less than 10 mm, preferably less than 5 mm, more preferably from 0.1 to 5 mm, particularly preferably from 0.5 to 2 mm .
  • the anode and cathode have a thickness of 10 ⁇ m to 2000 ⁇ m
  • the two gas diffusion layers a thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably a thickness of 100 ⁇ m to 500 ⁇ m
  • the proton exchange membrane a Thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • the barrier impermeable to water / water vapor has a thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the cathode is designed as a plastic film provided with a large number of openings.
  • the at least water and water vapor impermeable, removable barrier at least one material selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, cycloolefin copolymers, polyethylene naphthalate, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyacrylonitrile Contains or consists of polyamide, polyimide, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate, aluminum, silicon oxide, aluminum oxide and liquid crystalline polymers.
  • the system according to the invention is designed in particular planar or designed in a rotationally symmetrical, preferably cylindrical design, the anode being on the inside of the rotating body and the cathode on the outside thereof.
  • the anode, first gas diffusion layer, proton exchange membrane, second gas diffusion layer and cathode attached to each other are preferably reversibly detachable / connectable from the space compartment connected to the room compartment.
  • the reversible composite can preferably be produced by means of Velcro fasteners, clips, bolts, press studs and / or adhesive connections.
  • the anode can have at least one space compartment that contains the plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture, on the side of the anode facing away from the first gas diffusion layer, a mechanical carrier can be applied, which at least for oxygen and / or Water impermeable, in particular a carrier in the form of a film, particularly preferably in the form of a film metallized on one side, or the plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture in a separate space compartment adjoining the anode on the side facing away from the proton exchange membrane be kept in stock, the plastically deformable or flowable, preferably pas tous or powdery substance mixture in an at least for oxygen and / or water impermeable carrier and / or housing be stocked, which at least partially with that of the first gas diffuser ion layer are in contact with the side facing away from the anode, or the plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance
  • the mechanical carrier and / or housing is / are cylinder-shaped, the substance mixture being arranged inside the cylinder and the anode, first gas diffusion layer, proton exchange membrane, second gas diffusion layer and cathode being formed on the surface of the cylinder.
  • the last-mentioned embodiment, in which the system is designed in the form of a cylinder, can have the external dimensions of a commercially available battery.
  • This cylindrical embodiment can in particular be produced by rolling up and / or by winding up a planar system.
  • Current collectors are preferably arranged at the front ends of the cylinder, one current collector being connected to the anode and the opposing current collector to the cathode in an electrically conductive manner.
  • the mechanical carrier and / or the housing is / are formed from a plastic.
  • At least one element to increase the migration speed and / or to reduce the migration paths of one or more fluids is / are attached within the carrier and / or housing.
  • this at least one element is designed as a wick, fabric, capillaries, lattice structure and / or an open-line foam structure.
  • the anode has a hole structure or lattice structure and / or is designed as a woven or nonwoven fabric, with the substance mixture in the holes in the event that the anode has at least one space compartment that contains the substance mixture , is contained in the recesses of the grid and / or within the fabric or nonwoven fabric.
  • the perforated structure or lattice structure is formed from perforated or lattice-structured polymer foils, metallized polymer foils, metal foils and / or the fabric from graphite fabric foils.
  • the plastically deformable or flowable substance mixture i) contains at least one substance for providing hydrogen, selected from the group consisting of substances that are suitable for the chemical reduction of H2O to H2, preferably substances selected from Group consisting of alkali metals, metal hydrides, alkali metal hydridoboranes, alkaline earth metal hydroboranes, alkali metal silicides and mixtures thereof, particularly preferably substances selected from the group consisting of NaH, LiH, LiAIH 4 , NaAIH 4 , MgH, CaH, NaBH 4 , LiBH 4 , NaSi LiSi, Mg X RE fi -x j H y with 0 ⁇ x ⁇ l; 0 ⁇ y ⁇ 3, MgxTM ⁇ -x j H y with 0 ⁇ x ⁇ l; 0 ⁇ y ⁇ 3, (Mg-RE-TM) H y with 0 ⁇ y ⁇ 3 and mixtures and / or combinations thereof, where RE represents the group consisting of
  • plastically deformable or flowable substance mixture contains at least one hygroscopic and / or deliquescent component which is different from the substance for providing hydrogen.
  • the at least one hygroscopic and / or deliquescent component i) contains or consists of at least one substance which, after incubation with air for one hour at a relative humidity of at least 90% at standard pressure and temperature, binds enough water that its weight gain is at least 0.1 %
  • standard pressure being understood to mean a pressure of 1013 hPa and standard temperature being understood to mean a temperature of 25 ° C .
  • the system according to the invention can preferably be connected on the cathode side with a source of oxygen and water, preferably with i) a gaseous atmosphere, preferably air; and / or ii) a surface of a living or dead person and / or a living or dead animal, preferably a skin surface of a person and / or animal, optionally with the outlet of a respiratory tract of a person and / or animal; and / or iii) a surface of a living or dead plant.
  • a source of oxygen and water preferably with i) a gaseous atmosphere, preferably air; and / or ii) a surface of a living or dead person and / or a living or dead animal, preferably a skin surface of a person and / or animal, optionally with the outlet of a respiratory tract of a person and / or animal; and / or iii) a surface of a living or dead plant.
  • PFSA poly-perfluorosulfonic acid
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PFIA polyperfluoroimidic acid
  • 2- [l- [difluoro [(trifluoroethenyl) oxy] methyl] -1,2,2,2-tetrafluoroethoxy] -1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonic acid contains or consists of it;
  • the catalyst being selected from the group consisting of catalysts which catalyze an oxidation of hydrogen with oxygen, preferably a catalyst made from a material selected from
  • the organic substance 20 is suitable for mediating the reaction between the substance for providing hydrogen with water, the organic substance preferably i) being liquid at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1013 hPa; and or
  • 25 ii) is at least partially miscible with water at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1013 hPa; and / or iii) is selected from the group of substances which contain at least one carboxylic acid ester group; and / or iv) with the substance for providing hydrogen and / or with
  • BO of the hygroscopic substance is present as a mixture, preferably present as a homogeneous mixture, the mixture having a semi-solid, spreadable and / or pasty consistency, in particular at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1013 hPa.
  • the system according to the invention preferably comprises one or more electronic components based on flexible circuit board technology. It is also preferred that no opening to the environment of the system is attached to the anode and / or the carrier and the anode and / or the carrier have no connections for fluids, in particular no feed lines for hydrogen that is stored outside the system, having.
  • the aforementioned embodiment applies to both variants of the present invention, i. H. both for the variant according to which the anode has at least one space compartment which contains a plastically deformable or flowable, preferably pasty or powdery substance mixture which is suitable for releasing hydrogen through contact with water, as well as the variant according to which the substance mixture in at least one separate space compartment adjoining the anode on the side facing away from the proton exchange membrane is kept.
  • a system is also in accordance with the invention if it is designed and suitable, in particular, for delivering an electrical power of less than 100 W, preferably 100 pW to 10 W, particularly preferably 1 mW to 100 mW.
  • the system according to the invention does not contain any moving mechanical components, in particular no moving components in a hydrogen flow path, especially no pump, no delivery unit, no impeller, no propeller, no impeller, no paddle wheel and no turbine. This significantly reduces the mechanical complexity of the system according to the invention, so that maintenance of the system is superfluous.
  • the device for generating electrical energy can be manufactured as a unit, so a hydrogen generator separated from the fuel cell is also not necessary.
  • the most important advantage is the possibility of inexpensive production of a device for generating electrical energy, which can have a multiple of the energy density and specific energy of conventional primary energy stores, but also of accumulators.
  • the system of the present invention can in particular be configured as a fuel cell.
  • the present invention relates to a device for delivering electrical energy, comprising a plurality of electrically interconnected systems.
  • the device according to the invention it is advantageous if it is electrically conductively connected to flexible electronic components such as sensors or antennas or flexible printed circuits.
  • the fuel cell and substance mixture and, if applicable, electronic components can be reversibly released by means of mechanically releasable connections and the connections are preferably made by means of Velcro fasteners, clamp connectors, screws, spring contacts, magnetic connectors, snap fasteners and / or adhesive connections .
  • Another preferred embodiment of the device provides that it is part of a device for monitoring medical parameters (e.g. body temperature, blood oxygen saturation, heartbeat) of a person or animal.
  • medical parameters e.g. body temperature, blood oxygen saturation, heartbeat
  • the present invention also relates to a method for producing a system according to the invention as described above, in which the plastically deformable or flowable substance mixture (001) is processed to provide hydrogen by printing, spraying, dipping, dispensing, injection molding and / or film casting.
  • a preferred embodiment of the method provides that the printing takes place by means of screen and / or stencil printing and / or roll-to-roll processes and / or pad printing processes.
  • plastically deformable or flowable preferably paste or powdery substance mixture (001) can also be used to provide Hydrogen is mixed with binder, applied to a substrate and dried ge.
  • a method is also advantageous if the foils contained in the device are laminated by applying a pressure of more than 100 Pa relative and / or a temperature of more than 50 ° C. and / or using an activatable adhesive.
  • the present invention relates to the use of a system according to the invention or a device according to the invention as an energy source in an i) data recording device, preferably a device for electronic monitoring of the condition of wounds in a person, an animal and / or a plant, the Device preferably records min least a temperature and humidity; and / or ii) sensor, preferably a sensor for wireless transmission of data, preferably a sensor for radio transmission of data or a sensor for determining a measured variable, eg a temperature sensor, pH sensor or pressure sensor, and / or iii) medical Device, preferably in a hearing aid and / or a wound dressing; and / or iv) device for playing music files and / or video files, preferably a portable device for playing music files and / or video files; and / or v) remote control device, preferably a remote control device for a television set; and / or vi) Device that is attached to the body of the user and / or is integrated into his clothing, preferably
  • the at least one opening of the cathode of the device is connected to i) a person and that a water-containing fluid gets into the at least one opening of the device through sweating and / or breathing and / or wound secretion of a person; and / or ii) an animal is connected and that a water-containing fluid reaches the at least one opening of the device through sweating and / or breathing and / or wound secretion of an animal; and / or a plant is connected so that a water-containing fluid reaches the at least one opening of the device by transpiration of the plant.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a system according to the present invention
  • FIG. 2 A second embodiment of a system according to the present invention in the form of a hose
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a system according to the present invention, in particular for medical applications;
  • Figure 1 illustrates the basic structure of the system according to the invention for generating electrical energy.
  • the system has a mechanical carrier 002 on which an electrically conductive anode with a grid structure 101 is applied.
  • a substance mixture for hydrogen release 001 is introduced into the grid openings (see enlarged detail).
  • a first, electrically conductive gas diffusion layer 102 is arranged over the anode 101.
  • a proton exchange membrane 10S above it a second, electrically conductive gas diffusion layer 104 and finally a polymer film (cathode 105) metallized on one side and provided with openings. All of the aforementioned components are implemented as foils that are laminated to form an overall system.
  • the reference symbol 100 denotes the components 101 to 105 combined to form a fuel cell arrangement.
  • These foils have, for example, thicknesses of 10-500 ⁇ m and are e.g.
  • Metal foils made of copper / aluminum / gold / stainless steels (but also metal mesh) or polymer foils metallized with the metals / alloys mentioned (e.g. for the components for current derivation - or carriers of the (paste-based) hydrogen storage material (components 101 and / or 104)
  • Polymer foils e.g. for the carrier 002 of electronics or the metal foils and the proton exchange membrane 103
  • Graphite fabric foils e.g. for the gas diffusion layers 102 and 104.
  • the foils can be structured, for example, by means of common working methods, such as laser structuring, by means of cutting tools, by etching and / or punching.
  • the substance mixture for hydrogen release 001 (in particular a paste containing MgH2) can e.g. by means of layer deposition, preferably by means of
  • Dispensing by means of: aerosol jet, dispensing jet, microdispenser injection molding are applied and / or introduced.
  • the individual components can, for example, by means of
  • Lamination of all foils with pressure and temperature lamination using an adhesive can be joined to the overall system.
  • the system shown in Figure 1 is thus a flat structure and represents a thin (total thickness e.g. 0.5-5mm) flexible (bending radii:> 5 mm) energy system. It can be applied to surfaces with different curvatures (see embodiments).
  • the system can be started by removing a start (possibly stop) film 003 (preferably as a moisture barrier) applied to the cathode 105.
  • the overall system thus represents an integrated polymer electrolyte membrane fuel cell based on thin foils.
  • the hydrogen storage device is integrated and, if necessary, designed to be exchangeable. The hydrogen is released on the basis of a hydrolysis reaction - in the case of paste containing MgH2: MgH2 + H2O - 2 H2 + Mg (OH) 2. Due to the flexibility, the integration of electronics based on flexible printed circuit board technology is possible, so that the system comprising printed circuit boards can also retain its flexibility.
  • FIG. 2 shows an integrated energy system which is constructed analogously to the basic principle presented in FIG. 1.
  • Figure 2 shown on the left is a longitudinal section through the system, shown on the right is a cross section that illustrates the cylinder-shaped structure.
  • the same reference numerals as shown in FIG. 1 apply.
  • the individual components are rolled up to form a cylinder or hose with a minimum bending radius of 3 mm.
  • the dimensions of the system can also be matched to standard batteries.
  • the removable barrier 003 which is impermeable to water / water vapor (shown as partially removed).
  • Particular advantages of the system shown in Figure 2 is the relatively large cavity inside the rolled up energy system, which can be used as a fuel storage space for the substance mixture 001 to provide large amounts of energy.
  • valves As shown on the left in FIG. 2, the film 003 has been partially removed and the system has thus started.
  • the integration of valves is also possible, please include.
  • the hydrogen pressure inside the system can be controlled, for example. Refilling with a substance mixture to release hydrogen is also possible.
  • FIG. 5 shows a sensor system based on flexible foils which is suitable for monitoring various environmental parameters, in particular for medical applications.
  • the same reference numerals apply as shown in FIG.
  • the system can be arranged on a surface 300 of any shape, for example human body parts.
  • a shape-flexible carrier 002 (for example a polymer film) that can be arranged on the surface 300 ensures the separation of surface 300 and substance mixture 001 and can additionally accommodate active / passive electronic components and / or function as a flexible printed circuit board.
  • the components can, for example, be integrated circuits 301, antennas 302 and sensor-specific components 303, for example for monitoring a body function, and are supplied with power by the fuel cell 100.
  • the electrical rewiring can, for example, be based on flexible printed circuit board technology (copper-clad polyimide foils). It is also possible to equip electronics for voltage conversion, signal conditioning and transmission. In the case of a rigid design, the components (301, 302, 303) can be selected to be small enough that the overall system remains flexible or, alternatively, can be flexibly integrated into the film. The rest of the system is structured analogously to the basic principle shown in FIG.
  • the substance mixture for hydrogen release can be exchanged as a film composite; an energy system filled with a new hydrogen-generating substance mixture can be glued onto an electronic rewiring carrier. It is also possible to separate the electronics and the energy system so that individual components can be replaced.
  • FIG. 4 shows the configuration of a system according to the invention in which the individual components are interchangeably arranged on top of one another. All or individual components of the system can be exchanged (electronics / carrier or housing with substance mixture / fuel cell) so that only the necessary component is possible.
  • Figure 4 on the left is a system according to the invention, in which the fuel cell 100 (and the removable barrier for water / water vapor 003 arranged on it) by means of a releasable mechanical connection 400 (for example a Velcro or a detachable adhesive connection) on the substance mixture for Water-free set 001 is attached.
  • a releasable mechanical connection 400 for example a Velcro or a detachable adhesive connection
  • Exemplary devices are, for example, smart mobility devices, wareables, sport monitoring devices, IOT (internet of things) devices, medical monitoring devices, such as for monitoring body functions, wound healing monitoring, as well as medical emergency and warning systems and wireless sensor systems for monitoring physical Parameters (e.g. temperature, pressure, pH sensors)

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles, d.h. ohne Beeinträchtigung der Funktion biegbares System zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Vorrichtung zur Abgabe elektrischer Energie umfassend eine Mehrzahl der flexiblen Systeme, ein Verfahren zur Herstellung des flexiblen Systems sowie Verwendungen hiervon.

Description

Flexibles System zur Erzeugung elektrischer Energie, Vorrichtung zur Abgabe elektrischer Energie, Verfahren zur Herstellung des flexiblen Systems sowie
Verwendungen hiervon
Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles, d.h. ohne Beeinträchtigung der Funktion biegbares System zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Vorrich tung zur Abgabe elektrischer Energie umfassend eine Mehrzahl der flexiblen Systeme, ein Verfahren zur Herstellung des flexiblen Systems sowie Verwen dungen hiervon.
Für viele Anwendungen, beispielweise Hörgeräte, Sensoren, Datenlogger oder kleine Funkmodule sind günstige Primärenergiespeicher mit sehr hohen Ener giedichten und/oder hoher spezifischer Energie erforderlich. Bislang kommen meist Primärbatterien oder Akkumulatoren („Akkus") zum Ein satz, die jedoch nur begrenzte spezifische Energiemengen bereitstellen können und/oder kostenintensiv und/oder giftig und/oder beschränkt lager- fähig sind (z.B. Alkali-Mangan-Akkus mit ca. 150 Wh/kg, 350 Wh/L, Zink-Luft- Batterien mit ca. 400 Wh/kg, 1200 Wh/K und Lithium-Thionylchlorid-Akkus mit ca. 600 Wh/kg, 1100 Wh/L).
Außerdem sind Brennstoffzellen bekannt, die an einen chemischen Einwegspei cher zur Wasserstofferzeugung durch Hydrolyse einer chemischen Substanz ge koppelt sind (siehe WO 2014/198948 Al). Metallhydride bieten insbesondere bei Hydrolyse in Brennstoffzellenanwendungen den Vorteil extrem hoher ma terialspezifischer Energiedichten und spezifischer Energien. Zum Beispiel be sitzt Magnesiumhydrid in der folgenden chemischen Reaktion bei Wandlung des entstehenden Wasserstoffs in Elektrizität in einer Brennstoffzelle den ma terialspezifischen Energiegehalt von 2900 Wh/L bzw. 2300 Wh/kg (inklusive Wirkungsgradverluste):
MgH + 2 H20 -> 2H2 + Mg(OH)2
Das Problem hierbei, insbesondere für mobile Anwendungen und Kleinstan- wendungen, ist jedoch, dass für die Reaktion erforderliches, und damit im Sys tem zu transportierendes, Wasser die effektive Systemenergiedichte sowie sys temspezifische Energie von auf Hydrolyse basierenden Stromgeneratoren er heblich reduziert.
In der Patentliteratur finden sich zur Lösung des Problems folgende Ansätze: Brennstoffzellen werden an hydrolysebasierte Wasserstoffgasgeneratoren ge koppelt, die (Umgebungsluft-)Feuchte mittels einer selektiv wasserpermeablen Membran aus der Brennstoffzelle oder Luft extrahieren und den entstehenden Wasserstoff mittels einer elektromechanischen Fördereinrichtung in die Brenn stoffzelle transportieren (siehe WO 2006/091227 Al). Nachteilig hierbei sind jedoch mechanisch bewegte Teile in der Fördereinrichtung, die zu einem höhe ren Systemgewicht führen, zusätzlichen Bauraum benötigen, Zusatzkosten ver ursachen sowie anfällig für Defekte und Verschleiß sind.
In der US 2003/0228252 Al ist ein von einer wasserpermeablen Membran um hülltes Metallhydrid als Wasserstoffgenerator, u.a. für Brennstoffzellenanwen dungen, beschrieben. Nachteilig ist hier jedoch, dass ein Wasserstoffgenerator als weiteres Bauteil neben der Brennstoffzelle erforderlich ist. Dies führt unter anderem zu hohen Fertigungskosten und macht eine Systemintegration schwierig, insbesondere bei Kleinst-Anwendungen.
Aus der US 10,522,864 Bl sind Geräte bekannt, die mit Brennstoffzellen betrie ben werden können. Diese Geräte können über einen längeren Zeitraum be trieben werden, wenn die Brennstoffzellen so angepasst sind, dass sie die zur Erzeugung von Strom aus der Umgebung erforderlichen Reaktanten extrahie ren. Hierbei wird die Konzentration der Reaktanten in dieser Umgebung durch Wechselwirkung zwischen der Umgebung und einer mit Reaktanten angerei cherten Atmosphäre auf einem ausreichenden Niveau gehalten.
Die DE 10 2006 041 503 betrifft eine Brennstoffrandzellenordnung, ein Brenn stoff zell System und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanord nung.
Insbesondere die Flexibilität der aus dem Stand der Technik bekannten Sys teme ist nicht zufriedenstellend, so dass diese nicht bei Anwendungen, bei de nen eine gewisse Flexibilität gefordert ist, eingesetzt werden können, oder bei entsprechender Benutzung und/oder Verarbeitung beschädigt oder sogar zer stört werden.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor richtung zur Erzeugung elektrischer Energie bereitzustellen, welche die im Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein flexibles System zur Erzeugung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer Vorrichtung zur Ab gabe elektrischer Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29, einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit den Merkma len des Patentanspruchs 33 und der Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems mit den Merkmalen von Anspruch 37. Die abhängigen Ansprüche zei gen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung auf.
Die Erfindung betrifft somit ein flexibles System zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend a) eine für Gase permeable, elektrisch leitfähige Anode; b) eine auf der Anode angeordnete elektrisch leitfähige erste Gasdiffu sionsschicht; c) eine für Protonen und für Wasser permeable und für Wasserstoff weitgehend impermeable Protonenaustauschmembran, die auf der der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist; d) eine auf der der Protonenaustauschmembran angeordnete zweite elektrisch leitfähige Gasdiffusionsschicht ; e) eine für Wasser und/oder Wasserdampf und Sauerstoff permeable Kathode, die auf der der zweiten elektrisch leitfähigen Gasdiffusions schicht angeordnet ist; sowie f) eine zumindest für Wasser und/oder Wasserdampf impermeable, entfernbare Barriere, die auf der Kathode angeordnet ist, wobei die Anode mindestens ein Raumkompartiment aufweist, das ein plastisch verformbares oder fließfähiges, bevorzugt pastöses oder pulver förmiges Substanzgemisch enthält, das dazu geeignet ist, Wasserstoff durch Kontakt mit Wasser freizusetzen, und/oder das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pul verförmige Substanzgemisch in mindestens einem, separaten, an die Anode auf der der Protonenaustauschmembran abgewandten Seite an grenzenden Raumkompartiment vorgehalten wird, wobei die aufeinander aufgebrachte Anode, erste Gasdiffusionsschicht, Proto nenaustauschmembran, zweite Gasdiffusionsschicht und Kathode so ausgelegt sind, dass sich diese zerstörungsfrei und ohne Beeinträchtigung der Funktion in mindestens eine Raumrichtung reversibel und/oder permanent verbiegen las sen.
Dadurch, dass der Gesamtverbund des erfindungsgemäßen Systems flexibel ausgestaltet ist, d. h. sich zerstörungsfrei und ohne Beeinträchtigung der Funk tion verbiegen lässt, kann die oben genannte Aufgabe gelöst werden. Das er- findungsgemäße System ist somit vielseitig einsetzbar, insbesondere in Anwen dungsgebieten, in denen eine Flexibilität eines zur Anwendung kommenden Systems erforderlich wird.
Beim erfindungsgemäßen System wird der für den Betrieb auf der Anodenseite benötigte Wasserstoff durch eine chemische Reaktion mindestens einer Sub stanz des plastisch verformbaren oder fließfähigen, bevorzugt pastösen oder pulverförmigen Substanzgemisches mit beim Betrieb des Systems entstehen dem Wasser und/oder mit Feuchtigkeit des Fluids auf der Kathodenseite er zeugt. Das Fluid auf der Kathodenseite kann insbesondere feuchte Umgebungs luft sein, die stets einen gewissen Wasserdampfgehalt enthält; Jedoch auch an dere sauerstoffhaltige Gasmischungen, die zudem gasförmiges und/oder aus kondensiertes, vernebeltes und/oder anderweitig fein verteiltes Wasser ent halten, sind möglich.
Der Begriff Substanz umfasst nicht nur chemische Reinstoffe, sondern auch komplexe chemische Substanzen variabler Zusammensetzung, denen eine ein deutige CAS-Registriernummer zugewiesen wurde oder werden kann.
Die Begriffe Normalbedingungen, Raumtemperatur und Normaldruck leiten sich jeweils von diesen Angaben ab, beziehen sich jedoch - sofern nicht explizit anders angegeben - auf eine Atmosphäre trockener Luft (0 % relative Luft feuchte).
Als feuchte Umgebungsluft wird, sofern nicht anders angegeben, Luft mit einer relativen Luftfeuchte im Bereich zwischen 5 und 100 % bei einer Standardrefe renzatmosphäre von 1000 hPa und 20 °C verstanden (angelehnt an ISO 8778:2005).
Als Wasserstoffseite (synonym Anodenseite) wird das restliche Teilsystem ab Mitte der Protonenaustauschmembran und/oder deren unmittelbare Umge bung verstanden, in welchem die Oxidation von Wasserstoff stattfindet.
Als Sauerstoffseite (synonym Kathodenseite) wird das restliche Teilsystem ab Mitte der Protonenaustauschmembran und/oder deren unmittelbare Umge bung verstanden, in welchem die Reduktion von Sauerstoff stattfindet. Als Anode (synonym Anodenraum) ist insgesamt der komplette, ohne weitere Ventile oder anderweitige Absperrvorrichtungen mit der ersten Gasdiffusions schicht verbundene, Gasraum und/oder Raum, der das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch ent hält, der Wasserstoff seite des Systems definiert, der beispielsweise als Wasser- stoff-Flowfield ausgestaltet sein kann und mindestens eine Schicht beinhaltet oder umfasst, die elektrisch leitfähig mit der ersten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorbeschichtung der ersten Gasdiffusionsschicht und/oder auf der Protonenaustauschmembran auf der Wasserstoffseite, verbunden ist.
Als Kathode oder Kathodenraum wird der Raum mit offenen, für sauerstoffhal tige Fluide frei zugänglichen Strukturen der Sauerstoffseite des Systems be zeichnet, der mindestens eine Schicht beinhaltet oder umfasst, die elektrisch leitfähig mit der zweiten Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorbeschichtung auf der zweiten Gasdiffusionsschicht und/oder auf der Protonenaustausch membran auf der Sauerstoffseite, verbunden ist.
Die Kontaktierung der mindestens einen Wasserstoff freisetzenden Substanz im Anodenraum mit Wasser setzt Wasserstoff frei, der zum Betrieb der Brenn stoffzelle verwendet werden kann. Beispielsweise kann das hierfür erforderli che Wasser vom Kathodenraum des Systems stammen. Ferner entsteht wäh rend des Betriebs des Systems wiederrum Wasser, welches dazu verwendet werden kann, mit der im Anodenraum befindlichen Wasserstoff-freisetzenden Substanz kontaktiert zu werden und somit (erneut) Wasserstoff freizusetzen. Der für die Wasserstofffreisetzungsreaktion benötigte Wassergehalt des Fluids auf der Kathodenseite kann somit reduziert werden oder, anders ausgedrückt, das beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Wasser wird für die chemi sche Reaktion zur Wasserstofffreisetzung rekuperiert.
Feuchtigkeit aus dem Kathodenraum kann durch die Protonenaustauschmemb ran in den Anodenraum diffundieren, was durch eine hygroskopische und/oder deliqueszente Komponente im Anodenraum stark beschleunigt werden kann. Das so in den Anodenraum transportierte Wasser erzeugt dann unmittelbar durch Reaktion mit der bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff freisetzenden min destens einen Substanz des Substanzgemischs den für den Betrieb der Brenn stoffzelle notwendigen Wasserstoff. Als hygroskopisch werden Substanzen bezeichnet, die bei Lagerung an feuchter Umgebungsluft Luftfeuchtigkeit an sich ziehen, dabei Wasser anlagern und sich dabei bevorzugt allmählich verdünnen, zerfließen und/oder verklumpen. Be vorzugt beträgt die Massenzunahme dieser Substanzen durch aufgenommenes Wasser mehr als 1 Gew.-% bei Lagerung der Substanzen an feuchter Umge bungsluft nach obenstehender Definition und einer relativen Luftfeuchte von 65 % innerhalb der ersten Stunde.
Zum Start und/oder zur Aufrechterhaltung der Erzeugung elektrischer Energie kann die mindestens eine feuchtigkeitsundurchlässige oder nur gering feuch tigkeitsdurchlässige Barriere entfernt, beschädigt oder permanent oder tempo rär anderweitig stärker feuchtigkeitsdurchlässig gemacht werden, beispiels weise durch einen Schaltvorgang, der insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Barriere ausgelöst werden kann. Die Barriere kann Teil der Vorrichtung sein, diese umhüllen, z.B. die Kathodenseite des Sys tems verschließen. Nachdem diese Barriere (beispielsweise eine Membran o- der Folie) entfernt, beschädigt, durchstochen oder auf anderem Wege durch lässig für Feuchtigkeit gemacht worden ist, kann Feuchtigkeit über den Katho denraum des Systems an deren Protonenaustauschmembran gelangen.
Die zumindest für Wasser und Wasserdampf impermeable, entfernbare Barri ere kann insbesondere als reversibel oder irreversibel ablösbare Folie ausge führt sein. Diese kann beispielsweise auch mit einer Klebebeschichtung ausge führt sein, um so eine Wiederverwendung zu ermöglichen.
Der Anodenraum kann vor der Erzeugung von Elektrizität einen bestimmten Vorrat an bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff freisetzender Substanz befüllt sein bzw. werden. Dem Anodenraum wird insbesondere während des Betriebs der enthaltenen Brennstoffzelle insbesondere keine weitere, bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff freisetzende, Substanz zugeführt.
Das Funktionsprinzip des Systems erinnert demnach etwas an das einer Primär batterie, bei der die Energiemenge ebenfalls durch die Substanzmengen vorge- geben ist und was für das erfindungsgemäße System eine einfachere und kos tengünstigere Fertigung aufgrund des dadurch möglichen Verzichts auf mecha nisch bewegliche Teile zur Förderung von Substanzen ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der ohne Zerstörung oder Be einträchtigung der Funktion der Brennstoffzelle erreichbare Biegeradius der aufeinander aufgebrachten Anode, ersten Gasdiffusionsschicht, Protonenaus tauschmembran, zweiten Gasdiffusionsschicht und Kathode in mindestens eine Raumrichtung weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 50 mm, besonders bevorzugt weniger als 10 mm beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Gesamtdicke von Anode, erster Gasdiffusionsschicht, Protonenaustauschmembran, zweiter Gasdiffusionsschicht und Kathode weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm, weiter bevorzugt von 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2 mm.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeweils unabhängig voneinan der die Anode und Kathode eine Dicke von 10 miti bis 2000 miti, die beiden Gas diffusionsschichten eine Dicke von 10 miti bis 1000 miti, bevorzugt eine Dicke von 100 miti bis 500 miti, die Protonenaustauschmembran eine Dicke von 10 miti bis 1000 miti, bevorzugt von 10 miti bis 50 miti sowie die für Wasser/Wasser dampf impermeable Barriere eine Dicke von 10 pm bis 1000 miti, bevorzugt von 10 pm bis 100 pm, aufweist.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Kathode als mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene Kunststofffolie ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest für Wasser und Wasserdampf impermeable, ablösbare Barriere mindestens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropy len, Cycloolefin-Copolymeren, Polyethylennaphthalat, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer, Polyacrylnitril, Polyamid, Po lyimid, Polyvinylalkohol, Polyethylenterephthalat, Aluminium, Siliciumoxid, Aluminiumoxid und flüssigkristallinen Polymeren enthält oder daraus besteht. Das erfindungsgemäße System ist insbesondere planar ausgestaltet, oder in ro tationssymmetrischer, bevorzugt zylindrischer Bauweise ausgestaltet, wobei sich die Anode auf der Innenseite des Rotationskörpers befindet und die Ka thode auf dessen Außenseite.
Für den Fall, dass das Substanzgemisch in einem separaten, an die Anode auf der der Protonenaustauschmembran abgewandten Seite angrenzenden Raum kompartiment vorgehalten wird, sind die aufeinander aufgebrachte Anode, erste Gasdiffusionsschicht, Protonenaustauschmembran, zweite Gasdiffusions schicht und Kathode bevorzugt vom Raumkompartiment reversibel lösbar/ver bindbar mit dem Raumkompartiment verbunden.
Der reversible Verbund kann bevorzugt mittels Klettverschluss, Klammern, Bol zen, Druckknöpfen und/oder Klebeverbindung hergestellt werden.
Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen System die Anode mindestens ein Raumkompartiment aufweisen, das das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanz gemisch enthält, auf der der ersten Gasdiffusionsschicht abgewandten Seite der Anode ein mechanischer Träger aufgebracht sein, der zumindest für Sauer stoff und/oder Wasser impermeabel ist, insbesondere ein Träger in Form einer Folie, besonders bevorzugt in Form einer einseitig metallisierten Folie, oder das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverför mige Substanzgemisch in einem separaten, an die Anode auf der der Protonen austauschmembran abgewandten Seite angrenzenden Raumkompartiment vorgehalten werden, das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pas töse oder pulverförmige Substanzgemisch in einem zumindest für Sauerstoff und/oder Wasser impermeablem Träger und/oder Gehäuse bevorratet sein, der/das zumindest bereichsweise mit der der ersten Gasdiffusionsschicht ab gewandten Seite der Anode in Kontakt stehen, oder das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch direkt mit der der ersten Gasdiffusionsschicht abgewandten Seite der Anode in Kon takt stehen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der mechanische Trä ger und/oder das Gehäuse eine Vielzahl von Öffnungen auf der der ersten Gas diffusionsschicht abgewandten Seite der Anode aufweist.
Ferner ist von Vorteil, wenn mechanischer Träger und/oder Gehäuse zylinder förmig ausgebildet ist/sind, wobei das Substanzgemisch im Inneren des Zylin ders angeordnet ist und Anode, erste Gasdiffusionsschicht, Protonenaus tauschmembran, zweite Gasdiffusionsschicht und Kathode auf der Oberfläche des Zylinders ausgebildet sind. Die zuletzt genannte Ausführungsform, bei der das System zylinderförmig ausgeführt ist, kann die äußeren Dimensionen einer handelsüblichen Batterie aufweisen.
Diese zylinderförmige Ausführungsform kann insbesondere durch Aufrollen und/oder durch Aufwickeln eines planaren Systems hergestellt werden.
Vorzugsweise sind an den stirnseitigen Enden des Zylinders Stromabnehmer angeordnet, wobei ein Stromabnehmer mit der Anode und der gegenüberlie gende Stromabnehmer mit der Kathode elektrisch leitend verbunden sind.
Bevorzugt ist ferner, dass der mechanische Träger und/oder das Gehäuse aus einem Kunststoff gebildet ist/sind.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn innerhalb des Trägers und/oder Gehäuses min destens ein Element zur Erhöhung der Migrationsgeschwindigkeit und/oder zur Verringerung der Migrationswege eines oder mehrerer Fluide (z.B. Wasserstoff oder Wasser) angebracht ist/sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn dieses mindestens eine Element als Docht, Gewebe, Kapillaren, Gitterstruktur und/o der eine offenzeilige Schaumstruktur ausgeführt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Anode eine Lochstruktur oder Gitterstruktur auf und/oder ist als Ge webe oder Vliesstoff ausgebildet, wobei im Fall, dass die Anode mindestens ein Raumkompartiment aufweist, das das Substanzgemisch enthält, das Substanz gemisch in den Löchern, in den Ausnehmungen des Gitters und/oder innerhalb des Gewebes oder Vliesstoffes enthalten ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Lochstruktur oder Gitterstruktur aus ge lochten oder gitterstrukturierten Polymerfolien, metallisierten Polymerfolien, Metallfolien und/oder das Gewebe aus Graphit-Gewebe-Folien gebildet ist.
Bevorzugt ist weiterhin, dass das plastisch verformbare oder fließfähige Sub stanzgemisch, i) mindestens eine Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff ent hält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Substanzen, die zur chemischen Reduktion von H2O zu H2 geeignet sind, bevorzugt Sub stanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallen, Metallhydriden, Alkalimetallhydridoboranen, Erdalkalimetallhyd- ridoboranen, Alkalimetallsiliciden und Mischungen hiervon, beson ders bevorzugt Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NaH, LiH, LiAIH4, NaAIH4, MgH , CaH , NaBH4, LiBH4, NaSi, LiSi, Mg XRE fi-xjHy mit 0 < x < l; 0 < y < 3, MgxTMß-xjHy mit 0 < x < l; 0 < y < 3, ( Mg-RE-TM)Hy mit 0 < y < 3 sowie Mischungen und/oder Kom binationen hieraus, wobei RE die Lanthaniden La bis Lu des Perio densystems und TM die Übergangsmetalle des Periodensystems re präsentieren; und/oder ii) weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, besonders bevor zugt weniger als 0,1 mm, von der Protonenaustauschmembran und/oder von der ersten Gasdiffusionsschicht, entfernt ist. Der zu vor beschriebene Abstand kann auch 0 sein, in diesem Fall steht das Substanzgemisch direkt mit der ersten Gasdiffusionsschicht in Kon takt. Eine Einstellung der Abstände kann durch Variation der Dicken von Gasdiffusionsschicht und ggf. mechanischem Träger erreicht werden.
Eine zudem bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das plastisch verformbare oder fließfähige Substanzgemisch mindestens eine sich von der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff un terscheidende hygroskopische und/oder deliqueszente Komponente enthält.
Bei der zuvor genannten Ausführungsform ist insbesondere von Vorteil, wenn die mindestens eine hygroskopische und/oder deliqueszente Komponente i) mindestens eine Substanz enthält oder daraus besteht, die dazu ge eignet ist, nach einer einstündigen Inkubation mit Luft bei einer re lativen Luftfeuchtigkeit von mindestens 90 % bei Standarddruck und -temperatur so viel Wasser zu binden, dass ihre Gewichtszu nahme mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% beträgt, wobei unter Standarddruck ein Druck von 1013 hPa und Standardtemperatur eine Temperatur von 25 °C verstanden wird; und/oder ii) eine Deliqueszenzfeuchtigkeit von weniger als 90 % relativer Luft feuchte, bevorzugt von weniger als 75 % relativer Luftfeuchte, be sonders bevorzugt von weniger als 60 % relativer Luftfeuchte bei Standarddruck und -temperatur aufweist, wobei unter Standard druck ein Druck von 1013 hPa und Standardtemperatur eine Tem peratur von 25 °C verstanden wird; und/oder iii) in dem mindestens einen Raumkompartiment in einer Menge, be zogen auf die Gesamtmenge an Komponenten oder Substanzen, 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 10 -40 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 - 30 Gew.-% beträgt; und/oder iv) ein anorganisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolith, Magnesiumsilikat, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Natriumnitrat, Mag nesiumnitrat, Calciumnitrat, Eisen-(lll)-chlorid, Ammoniumnitrat, Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat, Kieselgel und Mischungen hiervon enthält oder daraus besteht; und/oder v) ein organisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetonitril, Harnstoff, Dimethylsulfoxid, Ethylenglykol, Glycerin, Glycerintriacetat, Polyethylenglykol und Mischungen hiervon.
Das erfindungsgemäße System kann vorzugsweise kathodenseitig mit einer Quelle für Sauerstoff und Wasser verbunden werden, bevorzugt mit i) einer gasförmigen Atmosphäre, bevorzugt Luft; und/oder ii) einer Oberfläche eines lebenden oder toten Menschen und/oder eines lebenden oder toten Tieres, bevorzugt einer Hautoberfläche eines Menschen und/oder Tieres, optional mit dem Auslass eines Atemweges eines Menschen und/oder Tieres; und/oder iii) einer Oberfläche einer lebenden oder abgestorbenen Pflanze. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle i) ein Material, insbesondere ein Copolymer ausgewählt aus der
5 Gruppe bestehend aus Poly-Perfluorsulfonsäure (PFSA), Polytetraf luorethylen (PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) Polymethyl- methacrylat (PMMA), Polyperfluoroimidsäure (PFIA), insbesondere 2-[l-[Difluor[(trifluorethenyl)oxy]methyl]-l,2,2,2-tetrafluorethoxy]- 1,1,2,2-tetrafluorethansulfonsäure enthält oder daraus besteht;
10 und/oder ii) eine Beschichtung mit einem Katalysator aufweist, wobei der Kata lysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Katalysatoren, die eine Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff katalysieren, be vorzugt ein Katalysator aus einem Material ausgewählt aus der
15 Gruppe bestehend aus Pt, Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Ru, Pt-Ni, Pt-Rh, Pt-C.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das enthaltene Substanzgemisch mindestens eine organische Substanz enthält, die
20 dazu geeignet ist, die Reaktion zwischen der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff mit Wasser zu vermitteln, wobei die organische Substanz bevor zugt i) bei einerTemperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa flüs sig ist; und/oder
25 ii) bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa zu mindest teilweise mit Wasser mischbar ist; und/oder iii) ausgewählt ist aus der Gruppe von Substanzen, die mindestens eine Carbonsäureestergruppe enthalten; und/oder iv) mit der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff und/oder mit
BO der hygroskopischen Substanz als Gemisch vorliegt, bevorzugt als homogenes Gemisch vorliegt, wobei das Gemisch insbesondere bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa eine halbfeste, verstreichbare und/oder pastöse Konsistenz aufweist.
35 Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße System eine oder mehrere elekt ronische Komponenten auf Basis flexibler Leiterplattentechnologie. Bevorzugt ist es weiterhin, dass an der Anode und/oder am Träger keine Öff nung zur Umgebung des Systems angebracht ist und die Anode und/oder der Träger keine Anschlüsse für Fluide, insbesondere keine Zuleitungen für Wasser stoff, der außerhalb des Systems bevorratet wird, aufweist.
Die zuvor genannte Ausführungsform gilt für beide Varianten der vorliegenden Erfindung, d. h. sowohl für die Variante, wonach die Anode mindestens ein Raumkompartiment aufweist, das ein plastisch verformbares oder fließfähiges, bevorzugt pastöses oder pulverförmiges Substanzgemisch enthält, das dazu ge eignet ist, Wasserstoff durch Kontakt mit Wasser freizusetzen, als auch die Va riante, wonach das Substanzgemisch in mindestens einem, separaten, an die Anode auf der der Protonenaustauschmembran abgewandten Seite angren zenden Raumkompartiment vorgehalten wird.
Erfindungsgemäß ist ein System auch, wenn es insbesondere zur Abgabe einer elektrischen Leistung von weniger als 100 W, bevorzugt 100 pW bis 10 W, be sonders bevorzugt 1 mW bis 100 mW ausgelegt und geeignet ist.
Insbesondere weiß das erfindungsgemäße System keine beweglichen mechani schen Komponenten beinhaltet, insbesondere keine beweglichen Komponen ten in einem Fließpfad des Wasserstoffs, ganz besonders keine Pumpe, keine Fördereinheit, kein Vorlaufrad, kein Propeller, kein Impeller, kein Schaufelrad und keine Turbine. Hierdurch wird die mechanische Komplexität des erfin dungsgemäßen Systems maßgeblich reduziert, sodass Wartungen des Systems überflüssig werden.
Eine aktive Fördereinrichtung für den erzeugten Wasserstoff oder eine weitere wassertransportierende Membran neben der Brennstoffzelle entfällt somit, die Fertigung der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie kann als eine Ein heit erfolgen, somit ist auch ein von der Brennstoffzelle separierter Wasser stoffgenerator nicht notwendig. Der wichtigste Vorteil besteht in der Möglich keit der kostengünstigen Herstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektri scher Energie, die ein Vielfaches der Energiedichte und spezifischen Energie von konventionellen Primärenergiespeichern, aber auch von Akkumulatoren auf weisen kann. Das System der vorliegenden Erfindung kann insbesondere als Brennstoffzelle ausgestaltet sein.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Abgabe elektri scher Energie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Systeme.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn diese mit form flexiblen elektronischen Komponenten, beispielsweise Sensoren oder Anten nen oder flexiblen gedruckten Schaltungen elektrisch leitfähig verbunden ist.
Zudem ist bei der Vorrichtung bevorzugt, dass sich Brennstoffzelle und Sub stanzgemisch sowie ggf. elektronische Komponenten mittels mechanisch lös barer Verbindungen reversibel lösen lassen und die Verbindungen bevorzugt mittels Klettverschlüssen, Klemmverbindern, Schrauben, Federkontakten, magnetischen Verbindern, Druckknöpfen und/oder Klebeverbindungen ausge führt sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass sie Teil einer Vorrichtung zur Überwachung medizinischer Parameter (z.B. Körper temperatur, Blutsauerstoffsättigung, Herzschlag) eines Menschen oder Tiers ist.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Systems wie voranstehend beschrieben, bei der das plas tisch verformbare oder fließfähige Substanzgemisch (001) zur Bereitstellung von Wasserstoff durch Drucken, Sprühen, Tauchen, Dispensen, Spritzguss und/oder Foliengießen verarbeitet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Drucken mittels Sieb- und/oder Schablonendruck und/oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren und/oder Tampondruckverfahren erfolgt.
Beispielsweise kann das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pas töse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) auch zur Bereitstellung von Wasserstoff mit Binder gemischt wird, auf ein Substrat aufgebracht und ge trocknet werden.
Ferner ist ein Verfahren von Vorteil, wenn die in der Vorrichtung enthaltenen Folien mittels Anwendung eines Drucks von mehr als 100 Pa relativ und/oder einer Temperatur von mehr als 50 °C und/oder unter Verwendung eines akti vierbaren Klebstoffes laminiert werden.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfin dungsgemäßen Systems oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Ener giequelle in einem i) Datenaufzeichnungsgerät, bevorzugt einem Gerät zur elektroni schen Überwachung des Zustands von Wunden bei einem Mensch, einem Tier und/oder einer Pflanze, wobei das Gerät bevorzugt min destens eine Temperatur und die Luftfeuchtigkeit aufzeichnet; und/oder ii) Sensor, bevorzugt einem Sensor zur kabellosen Übertragung von Daten, bevorzugt einem Sensor zur Funkübertragung von Daten o- der einem Sensor zur Ermittlung einer Messgröße, z.B. ein Tempe ratursensor, pH-Sensor oder Drucksensor, und/oder iii) medizinischen Gerät, bevorzugt in einem Hörgerät und/oder einem Wundverband; und/oder iv) Gerät zum Abspielen von Musikdateien und/oder Videodateien, be vorzugt einem portablen Gerät zum Abspielen von Musikdateien und/oder Videodateien; und/oder v) Fernbedienungsgerät, bevorzugt einem Fernbedienungsgerät für einen Fernseher; und/oder vi) Gerät, welches am Körper des Benutzers befestigt wird und/oder in dessen Kleidung integriert ist, bevorzugt einem Gerät zur Analyse körperlicher und/oder medizinischer und/oder sportlicher Aktivitä ten, besonders bevorzugt einer Armbanduhr mit Mikroprozessor (Smart watch), eines Geräts zur Aufzeichnung körperlicher Aktivität (Activity tracker), einer Brille mit elektronischen Zusatzfunktionen oder eines Schlafanalysegeräts; und/oder vii) intelligenten Etikett, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindes tens eine elektronische Komponente, bevorzugt einen Mikropro zessor und besonders bevorzugt zusätzlich eine Anzeigeeinheit und/oder Einheit zur drahtlosen Übertragung von Daten enthält; und/oder viii) Headset, Kopfhörer oder Ohrhörer.
Bei der zuvor beschriebenen Verwendung ist vorteilhaft, wenn die mindestens eine Öffnung der Kathode der Vorrichtung mit i) einem Menschen verbunden wird und dass ein wasserhaltiges Fluid durch Schwitzen und/oder Atmung und/oder Wundsekretion eines Menschen in die mindestens eine Öffnung der Vorrichtung gelangt; und/oder ii) einem Tier verbunden wird und dass ein wasserhaltiges Fluid durch Schwitzen und/oder Atmung und/oder Wundsekretion eines Tieres in die mindestens eine Öffnung der Vorrichtung gelangt; und/oder einer Pflanze verbunden wird, dass ein wasserhaltiges Fluid durch Transpiration der Pflanze in die mindestens eine Öffnung der Vorrichtung gelangt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläu tert, ohne die Erfindung auf die spezifischen dargestellten Ausführungsformen zu beschränken.
Hierbei zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegen den Erfindung,
Figur 2 Eine zweite Ausführungsform eines Systems gemäß der vorlie genden Erfindung in Schlauchform,
Figur S Eine dritte Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegen den Erfindung, insbesondere für medizinische Anwendungen, Figur 4 Eine führte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, basierend auf flexiblen Folien mit Wechselsystem Figur 1 verdeutlicht den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Systems zur Er zeugung elektrischer Energie. Das System verfügt dabei über einen mechani schen Träger 002, auf dem eine elektrisch leitfähige Anode mit Gitterstruktur 101 aufgebracht ist. Ein Substanzgemisch zur Wasserstofffreisetzung 001 ist in die Gitteröffnungen eingebracht (siehe vergrößertes Detail). Über der Anode 101 ist eine erste, elektrisch leitfähige Gasdiffusionsschicht 102 angeordnet. Hierüber ist eine Protonenaustauschmembran 10S, darüber eine zweite, elektrisch leitfähige Gasdiffusionsschicht 104 sowie abschließend eine einseitig mit metallisierte und mit Öffnungen versehene Polymerfolie (Kathode 105) an gebracht. Sämtliche der zuvor genannten Komponenten sind dabei als Folien realisiert, die zu einem Gesamtsystem laminiert werden. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet dabei die zu einer Brennstoffzellenanordnung zusammenge fassten Komponenten 101 bis 105.
Diese Folien haben beispielsweise Dicken von 10-500 pm und sind für die je weiligen Komponenten z.B.
Metallfolien aus Kupfer/Aluminium/Gold/Edelstähle (aber auch Metallgitter) oder mit den genannten Metallen/Legierungen metal lisierte Polymerfolien (z.B. für die Komponenten zur Stromablei tung -oderTräger des (pastenbasierten) Wasserstoffspeichermate rials (Komponenten 101 und/oder 104)
Polymerfolien (z.B. für den Träger 002 von Elektronik bzw. der Me tallfolien sowie die Protonenaustauschmembran 103) Graphit-Gewebe-Folien (z.B. für die Gas-Diffusions-Lagen 102 und 104).
Die Folien können beispielsweise mittels gängiger Arbeitsverfahren, wie La serstrukturierung, mittels Schneidwerkzeugen, durch Ätzen und/oder Stanzen strukturiert werden.
Das Substanzgemisch zur Wasserstofffreisetzung 001 (insbesondere eine MgH2-haltige Paste) kann z.B. mittels Schichtabscheidung, bevorzugt mittels
Sieb- und Schablonendruck, Tampondruck, Rolle-zu-Rolle-Verfah- ren (R2R)
Dispensen mittels: Aerosoljet, Dispensjet, Mikrodispenser Spritzguss auf- und/oder eingebracht werden.
Die einzelnen Komponenten können zum Beispiel mittels
Laminierung aller Folien mit Druck und Temperatur Laminierung unter Verwendung eines Klebers (thermisch/fotoakti viert bzw. 2-Komponenten) zum Gesamtsystem gefügt werden.
Das in Figur 1 dargestellte System ist somit ein Flächengebilde und stellt ein dünnes (Gesamtdicke z.B. 0,5-5mm) flexibles (Biegeradien: > 5 mm) Energiesys tem dar. Es kann auf unterschiedlich gekrümmte Oberflächen aufgebracht wer den (vgl. Ausführungsformen). Der Start des Systems kann durch Entfernen ei ner auf Kathode 105 aufgebrachten Start-(ggf. Stopp)-Folie 003 (bevorzugt als Feuchtigkeits-Barriere) erfolgen. Das Gesamtsystem stellt somit eine auf dün nen Folien basierte, integrierte Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle dar. Der Wasserstoffspeicher ist dabei integriert und gegebenenfalls austausch bar ausgebildet. Die Wasserstofffreisetzung erfolgt auf Basis einer Hydrolyse reaktion - im Fall von MgH2-haltiger Paste: MgH2 + H2O - 2 H2 + Mg(OH)2. Aufgrund der Flexibilität ist die Integration von Elektronik basierend auf flexib ler Leitplattentechnologie möglich, sodass auch das Leiterplatten umfassende System seine Flexibilität bewahren kann.
Figur 2 zeigt ein integriertes Energiesystem, das analog zum in Figur 1 darge stellten Grundprinzip aufgebaut ist. In Figur 2 links dargestellt ist ein Längs schnitt durch das System, rechts dargestellt ein Querschnitt, der den zylinder förmigen Aufbau verdeutlicht. Es gelten die gleichen Bezugszeichen, wie in Fi gur 1 dargestellt. Hierbei sind die Einzelkomponenten mit einem minimalen Biegeradius von 3 mm zu einem Zylinder bzw. Schlauch aufgerollt. Die Dimen sionen des Systems können auch an gängige Batterien angeglichen sein. In Figur 2 ebenfalls dargestellt ist die für Wasser/ Wasserdampf impermeable entfern bare Barriere 003 (als teilweise entfernt dargestellt). Besondere Vorteile des in Figur 2 dargestellten Systems ist der relativ große Hohlraum im Inneren des aufgerollten Energiesystems, der als Brennstoffvorratsraum für das Substanz gemisch 001 zur Bereitstellung großer Energiemengen genutzt werden kann. Wie in Figur 2 links dargestellt ist die Folie 003 partiell entfernt und das System somit gestartet. Im in Figur 2 dargestellten System ist ebenso die Integration von Ventilen mög lich. Mithilfe dieser Ventile, zum Beispiel einem Überdruckventil 200 kann bei spielsweise der Wasserstoffdruck im Inneren des Systems gesteuert werden. Ebenso ist die Wiederbefüllung mit einem Substanzgemisch zur Wasser stofffreisetzung möglich.
Figur S zeigt ein auf flexiblen Folien basiertes Sensorsystem, das zur Überwa chung verschiedener Umgebungsparameter, insbesondere für medizinische Anwendungen, geeignet ist. Es gelten die gleichen Bezugszeichen, wie in Figur 1 dargestellt. Das System kann dabei auf einer beliebig geformten Oberfläche 300, beispielsweise menschlichen Körperteilen, angeordnet sein. Ein formfle- xiblerTräger002 (beispielsweise eine Polymerfolie), der auf der Oberfläche 300 angeordnet werden kann, gewährleistet Separation von Oberfläche 300 und Substanzgemisch 001 und kann zusätzlich aktive/passive elektronische Bauele mente beherbergen und/oder als flexible Leiterplatte fungieren. Die Bauele mente können z.B. integrierte Schaltungen 301, Antennen 302 sowie sensori sche Bauelemente 303, beispielsweise zur Überwachung einer Körperfunktion, sein und werden von der Brennstoffzelle 100 mit Strom versorgt. Die elektri sche Umverdrahtung (auch mehrlagig) kann bspw. auf Basis flexibler Leiterplat tentechnologie (kupferkaschierte Polyimidfolien) erfolgen. Hierbei ist ebenso die Bestückung von Elektronik zur Spannungswandlung, Signalkonditionierung und -Übertragung möglich. Die Bauelemente (301, 302, 303) können bei starrer Ausführung klein genug ausgewählt werden, dass das Gesamtsystem flexibel bleibt oder alternativ biegsam in die Folie integriert werden. Der Rest des Sys tems ist analog zum in Figur 1 dargestellten Grundprinzip aufgebaut. Das Sub stanzgemisch zur Wasserstofffreisetzung kann als Folienverbund ausgetauscht werden; es kann ein mit neuem wasserstofferzeugendem Substanzgemisch be- fülltes Energiesystem auf einen elektronischen Umverdrahtungsträger aufge klebt werden. Ebenso ist die Trennung von Elektronik und Energiesystem mög lich, so dass der Austausch einzelner Komponenten erfolgen kann.
Figur 4 zeigt die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems, bei dem die einzelnen Komponenten austauschbar aufeinander angeordnet sind. Alle oder einzelne Komponenten des Systems sind wechselbar (Elektronik/Träger bzw. Gehäuse mit Substanzgemisch/Brennstoffzelle), so dass der Austausch nur der notwendigen Komponente möglich ist. In Figur 4 links dargestellt ist ein erfin dungsgemäßes System, bei dem die Brennstoffzelle 100 (sowie die darauf an geordnete entfernbare Barriere für Wasser/Wasserdampf 003) mittels einer lösbaren mechanischen Verbindung 400 (beispielsweise einer Klett- oder einer lösbaren Klebeverbindung) auf dem Substanzgemisch zur Wa sse rstofff re i Set zung 001 angebracht ist. In Figur 4 rechts dargestellt ist eine Alternative Aus führungsform, bei denen die einzelnen Komponenten des Systems mittels einer mechanischen Verbindung, beispielsweise einer Knopf-oder Bolzenverbindung, miteinander reversibel verbunden sind. Die Brennstoffzelle 100 und/oder das Substanzgemisch zur Wasserstofffreisetzung 001 nach vollständigem Ver brauch kann somit abgenommen bzw. entfernt werden und durch eine jewei lige neue Komponente ersetzt werden.
Sämtliche der zuvor dargestellten erfindungsgemäßen Systeme eignen sich ins- besondere für mobile Anwendungen im Allgemeinen, insbesondere bei einer
Leistungsanforderung von < 1 Watt. Beispielhafte Vorrichtungen sind z.B. Smart Mobility Devices, Wareables, Sport Monitoring Devices, IOT (internet of things)-Devices, medizinische Überwachungsgeräte, wie z.B. zur Überwachung von Körperfunktionen, Wundheilungsüberwachung, sowie medizinische Not- fall- und Warnsysteme sowie kabellose Sensorsysteme zur Überwachung phy sikalischer Parameter (z.B. Temperatur-, Druck-, pH-Sensoren)

Claims

Patentansprüche
1. Flexibles System zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend a) eine für Gase permeable, elektrisch leitfähige Anode (101); b) eine auf der Anode (101) angeordnete elektrisch leitfähige erste Gasdiffusionsschicht (102); c) eine für Protonen und für Wasser permeable und für Wasser stoff weitgehend impermeable Protonenaustauschmembran (103), die auf der ersten Gasdiffusionsschicht (102) angeordnet ist; d) eine auf der Protonenaustauschmembran (103) angeordnete zweite elektrisch leitfähige Gasdiffusionsschicht (104); e) eine für Wasser und/oder Wasserdampf und Sauerstoff perme able Kathode (105), die auf der der zweiten elektrisch leitfähi gen Gasdiffusionsschicht (104) angeordnet ist; sowie f) eine zumindest für Wasser und/oder Wasserdampf imperme able, entfernbare Barriere (003), die auf der Kathode (105) an geordnet ist, wobei die Anode (101) mindestens ein Raumkompartiment auf weist, das ein plastisch verformbares oder fließfähiges, bevorzugt pastöses oder pulverförmiges Substanzgemisch (001) enthält, das dazu geeignet ist, Wasserstoff durch Kontakt mit Wasser freizuset zen, und/oder das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) in mindestens einem, sepa raten, an die Anode (101) auf der der Protonenaustauschmembran (103) abgewandten Seite angrenzenden Raumkompartiment vor gehalten wird, wobei die aufeinander aufgebrachte Anode (101), erste Gasdiffusi onsschicht (102), Protonenaustauschmembran (103), zweite Gas diffusionsschicht (104) und Kathode (105) so ausgelegt sind, dass sich diese zerstörungsfrei und ohne Beeinträchtigung der Funktion in mindestens eine Raumrichtung reversibel und/oder permanent verbiegen lassen.
2. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der ohne Zerstörung oder Beeinträchtigung der Funktion der Brennstoffzelle (100) erreichbare Biegeradius der aufeinander aufge brachten Anode (101), ersten Gasdiffusionsschicht (102), Protonenaus tauschmembran (103), zweiten Gasdiffusionsschicht (104) und Ka thode (105) in mindestens eine Raumrichtung weniger als 100 mm, be vorzugt weniger als 50 mm, besonders bevorzugt weniger als 10 mm beträgt.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Gesamtdicke von Anode (101), erster Gasdiffusions schicht (102), Protonenaustauschmembran (103), zweiter Gasdiffusi onsschicht (104) und Kathode (105) weniger als 10 mm, bevorzugt we niger als 5 mm, weiter bevorzugt von 0,1 bis 5 mm, besonders bevor zugt von 0,5 bis 2 mm beträgt.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass jeweils unabhängig voneinander die Anode (101) und Kathode (105) eine Dicke von 10 pm bis 2000 miti, die beiden Gasdiffu sionsschichten (102 und 104) eine Dicke von 10 pm bis 1000 pm, be vorzugt eine Dicke von 100 pm bis 500 pm, die Protonenaustausch membran (103) eine Dicke von 10 pm bis 1000 pm, bevorzugt von
10 pm bis 50 pm sowie die für Wasser/Wasserdampf impermeable Barriere (003) eine Dicke von 10 pm bis 1000 pm, bevorzugt von 10 pm bis 100 pm, aufweist.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kathode (105) als mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenen Kunststofffolie ausgebildet ist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die zumindest für Wasser und Wasserdampf imperme able, ablösbare Barriere (003) als reversibel oder irreversibel ablösbare Polymerfolie ausgeführt ist.
7. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest für Wasser und Wasserdampf impermeable, ablös bare Barriere (003) mindestens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Cycloolefin-Copoly- meren, Polyethylennaphthalat, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyimid, Polyvinylalkohol, Polyethylenterephthalat, Aluminium, Siliciumoxid, Aluminiumoxid und flüssigkristallinen Polymeren enthält oder daraus besteht.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass dieses planar ausgestaltet ist, oder in rotationssymmetrischer, bevorzugt zylindrischer Bauweise ausge staltet ist, wobei sich die Anode (101) auf der Innenseite des Rotati onskörpers befindet und die Kathode (105) auf dessen Außenseite.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass für den Fall, dass das plastisch verformbare oder fließfä hige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) in einem separaten, an die Anode (101) auf der der Protonenaustausch membran (103) abgewandten Seite angrenzenden Raumkompartiment vorgehalten wird, die aufeinander aufgebrachte Anode (101), erste Gasdiffusionsschicht (102), Protonenaustauschmembran (103), zweite Gasdiffusionsschicht (104) und Kathode (105) vom Raumkompartiment reversibel lösbar/verbindbar mit dem Raumkompartiment verbunden sind.
10. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der reversible Verbund mittels Klettverschluss, Klammern, Bolzen, Druckknöpfen und/oder Klebeverbindung hergestellt wird.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass im Fall, dass die Anode (101) mindestens ein Raumkompartiment aufweist, das das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulver förmige Substanzgemisch (001) enthält, auf der der ersten Gasdiffusi onsschicht (102) abgewandten Seite der Anode (101) ein mechanischer Träger (002) aufgebracht ist, der zumindest für Sauerstoff und/oder Wasser impermeabel ist, insbesondere ein Träger in Form einer Folie, besonders bevorzugt in Form einer einseitig metallisierten Folie, oder das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) in einem separaten, an die Anode (101) auf der der Protonenaustauschmembran (103) abgewand ten Seite angrenzenden Raumkompartiment vorgehalten wird, das Substanzgemisch (001) in einem zumindest für Sauerstoff und/oder Wasser impermeablem Träger (002) und/oder Gehäuse bevorratet ist, der/das zumindest bereichsweise mit der der ersten Gasdiffusions schicht (102) abgewandten Seite der Anode (101) in Kontakt steht, o- der das Substanzgemisch (001) direkt mit der der ersten Gasdiffusions schicht (102) abgewandten Seite der Anode (101) in Kontakt steht.
12. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Träger (002) und/oder das Gehäuse eine Viel zahl von Öffnungen auf der der ersten Gasdiffusionsschicht (102) abge wandten Seite der Anode (101) aufweist.
13. System nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mechanischer Träger (002) und/oder Gehäuse zylinderförmig ausgebildet ist/sind, wobei das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzge misch (001) im Inneren des Zylinders angeordnet ist und Anode (101), erste Gasdiffusionsschicht (102), Protonenaustauschmembran (103), zweite Gasdiffusionsschicht (104) und Kathode (105) auf der Oberflä che des Zylinders ausgebildet sind.
14. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an den stirnseitigen Enden des Zylinders Stromabnehmer ange ordnet sind, wobei ein Stromabnehmer mit der Anode (101) und der gegenüberliegende Stromabnehmer mit der Kathode (105) elektrisch leitend verbunden sind.
15. System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Träger (002) und/oder das Gehäuse aus einem Kunststoff gebildet ist.
16. System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Trägers (002) und/oder Gehäuses mindestens ein Element zur Erhöhung der Migrationsgeschwindigkeit und/oder zur Verringerung der Migrationswege eines oder mehrerer Fluide (z.B. Wasserstoff oder Wasser) angebracht ist, beispielsweise ein Docht, Ge webe, Kapillaren, eine Gitterstruktur und/oder eine offenzeilige Schaumstruktur.
17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anode (101) eine Lochstruktur oder Gitterstruktur aufweist und/oder als Gewebe oder Vliesstoff ausgebildet ist, wobei im Fall, dass die Anode (101) mindestens ein Raumkompartiment auf weist, das das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pas töse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) enthält, das Substanz gemisch (001) in den Löchern, in den Ausnehmungen des Gitters und/oder innerhalb des Gewebes oder Vliesstoffes enthalten ist.
18. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochstruktur oder Gitterstruktur aus gelochten oder gitter strukturierten Polymerfolien, metallisierten Polymerfolien, Metallfo lien und/oder das Gewebe aus Graphit-Gewebe-Folien gebildet ist.
19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das plastisch verformbare oder fließfähige Substanzge misch (001), i) mindestens eine Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff ent hält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Substanzen, die zur chemischen Reduktion von H2O zu H2 geeignet sind, bevorzugt Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalime tallen, Metallhydriden, Alkalimetallhydridoboranen, Erdalkalime- tallhydridoboranen, Alkalimetallsiliciden und Mischungen hiervon, besonders bevorzugt Substanzen ausgewählt aus der Gruppe be stehend aus NaH, LiH, LiAIH4, NaAIH4, MgH , CaH , NaBH4, LiBH4, NaSi, LiSi, Mg XRE fi-xjHy mit 0 < x < l; 0 < y < 3, MgxTTWfi-xjHy mit 0 < x < 1; 0 < y < 3, (Mg-RE-TM)Hy mit 0 < y < 3 sowie Mischungen und/oder Kombinationen hieraus, wobei RE die Lanthaniden La bis Lu des Periodensystems und TM die Übergangsmetalle des Perio densystems repräsentieren; und/oder ii) weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, besonders be vorzugt weniger als 0,1 mm, von der Protonenaustauschmembran (103) und/oder von der ersten Gasdiffusionsschicht (102), entfernt ist.
20. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das plastisch verformbare oder fließfähige Substanzge misch (001) mindestens eine sich von der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff unterscheidende hygroskopische und/oder deliques- zente Komponente enthält.
21. System nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine hygroskopische und/oder deliqueszente Komponente i) mindestens eine Substanz enthält oder daraus besteht, die dazu geeignet ist, nach einer einstündigen Inkubation mit Luft bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mindestens 90 % bei Standarddruck und -temperatur so viel Wasser zu binden, dass ihre Gewichtszu nahme mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% beträgt, wobei unter Standarddruck ein Druck von 1013 hPa und Standardtemperatur eine Temperatur von 25 °C verstanden wird; und/oder ii) eine Deliqueszenzfeuchtigkeit von weniger als 90 % relativer Luft feuchte, bevorzugt von weniger als 75 % relativer Luftfeuchte, be sonders bevorzugt von weniger als 60 % relativer Luftfeuchte bei Standarddruck und -temperatur aufweist, wobei unter Standard druck ein Druck von 1013 hPa und Standardtemperatur eine Tem peratur von 25 °C verstanden wird; und/oder iii) in dem mindestens einen Raumkompartiment in einer Menge, be zogen auf die Gesamtmenge an Komponenten oder Substanzen, 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 10 - 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 - 30 Gew.-% beträgt; und/oder iv) ein anorganisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolith, Magnesiumsilikat, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Natriumnitrat, Magnesiumnitrat, Calciumnitrat, Eisen-(lll)-chlorid, Ammonium nitrat, Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat, Kieselgel und Mi schungen hiervon enthält oder daraus besteht; und/oder v) ein organisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetonitril, Harnstoff, Dimethylsulfoxid, Ethylenglykol, Glyce rin, Glycerintriacetat, Polyethylenglykol und Mischungen hiervon.
22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass System kathodenseitig mit einer Quelle für Sauerstoff und Wasser verbunden werden kann, bevorzugt mit i) einer gasförmigen Atmosphäre, bevorzugt Luft; und/oder ii) einer Oberfläche eines lebenden oder toten Menschen und/oder eines lebenden oder toten Tieres, bevorzugt einer Hautoberfläche eines Menschen und/oder Tieres, optional mit dem Auslass eines Atemweges eines Menschen und/oder Tieres; und/oder iii) einer Oberfläche einer lebenden oder abgestorbenen Pflanze.
23. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Protonenaustauschmembran (103) der Brennstoff zelle (100) i) ein Material, insbesondere ein Copolymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Poly-Perfluorsulfonsäure (PFSA), Polytetraf luorethylen (PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) Polymethyl- methacrylat (PMMA), Polyperfluoroimidsäure (PFIA), insbesondere 2-[l-[Difluor[(trifluorethenyl)oxy]methyl]-l,2,2,2-tetrafluorethoxy]- 1,1,2,2-tetrafluorethansulfonsäure enthält oder daraus besteht; und/oder ii) eine Beschichtung mit einem Katalysator aufweist, wobei der Kata lysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Katalysato ren, die eine Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff katalysie ren, bevorzugt ein Katalysator aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Ru, Pt-Ni, Pt-Rh,
Pt-C.
24. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) mindestens eine organische Substanz enthält, die dazu geeignet ist, die Reaktion zwi schen der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff mit Wasser zu vermitteln, wobei die organische Substanz bevorzugt i) bei einerTemperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa flüssig ist; und/oder ii) bei einerTemperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa zu mindest teilweise mit Wasser mischbar ist; und/oder iii) ausgewählt ist aus der Gruppe von Substanzen, die mindestens eine Carbonsäureestergruppe enthalten; und/oder iv) mit der Substanz zur Bereitstellung von Wasserstoff und/oder mit der hygroskopischen Substanz als Gemisch vorliegt, bevorzugt als homogenes Gemisch vorliegt, wobei das Gemisch insbesondere bei einerTemperatur von 25 °C und einem Druck von 1013 hPa eine halbfeste, verstreich bare und/oder pastöse Konsistenz auf weist.
25. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass dieses elektronische Komponenten auf Basis flexibler Leiterplattentechnologie umfasst.
26. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass an der Anode (101) und/oder am Träger (002) keine Öff nung zur Umgebung des Systems angebracht ist und die Anode (101) und/oder derTräger (002) keine Anschlüsse für Fluide, insbesondere keine Anschlüsse für Wasserstoff aufweist.
27. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Leistung von weniger als 100 W, bevorzugt 100 pW bis 10 W, besonders bevorzugt 1 mW bis 100 mW.
28. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass dieses keine beweglichen mechanischen Komponenten beinhaltet, insbesondere keine beweglichen Komponenten in einem Fließpfad des Wasserstoffs, ganz besonders keine Pumpe, keine För dereinheit, kein Vorlaufrad, kein Propeller, kein Impeller, kein Schau felrad und keine Turbine.
29. Vorrichtung zur Abgabe elektrischer Energie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Systeme nach einem der vorher gehenden Ansprüche.
30. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass diese mit formflexiblen elektronischen Komponenten, bei spielsweise Sensoren oder Antennen oder flexiblen gedruckten Schal tungen elektrisch leitfähig verbunden ist.
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass sich Brennstoffzelle (100) und plastisch verformba res oder fließfähiges, bevorzugt pastöses oder pulverförmiges Sub stanzgemisch (001) sowie ggf. elektronische Komponenten mittels me chanisch lösbarer Verbindungen (400) reversibel lösen lassen und die Verbindungen bevorzugt mittels Klettverschlüssen, Klemmverbindern, Schrauben, Federkontakten, magnetischen Verbindern, Druckknöpfen und/oder Klebeverbindungen ausgeführt sind.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekenn zeichnet, dass sie Teil einer Vorrichtung zur Überwachung medizini scher Parameter (z.B. Körpertemperatur, Blutsauerstoffsättigung, Herzschlag) eines Menschen oder Tiers ist.
33. Verfahren zur Herstellung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 28, bei der das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) zur Bereitstellung von Wasserstoff durch Drucken, Sprühen, Tauchen und/oder Dispen sen und/oder Sprtizguss und/oder Foliengießen verarbeitet wird.
34. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucken mittels Sieb- und/oder Schablonendruck und/oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren und/oder Tampondruckverfahren erfolgt.
35. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Foliengießen erzeugten Fo lien mittels Anwendung eines Drucks von mehr als 100 Pa relativ und/oder einerTemperatur von mehr als 50 °C und/oder unter Ver wendung eines aktivierbaren Klebstoffes laminiert werden.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeich net, dass das plastisch verformbare oder fließfähige, bevorzugt pastöse oder pulverförmige Substanzgemisch (001) zur Bereitstellung von Was serstoff mit Binder gemischt wird, auf ein Substrat aufgebracht und ge trocknet wird.
37. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 28 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32 als Energie quelle in einem i) Datenaufzeichnungsgerät, bevorzugt einem Gerät zur elektroni schen Überwachung des Zustands von Wunden bei einem Mensch, einem Tier und/oder einer Pflanze, wobei das Gerät be vorzugt mindestens eine Temperatur und die Luftfeuchtigkeit auf zeichnet; und/oder ii) Sensor, bevorzugt einem Sensor zur kabellosen Übertragung von Daten, bevorzugt einem Sensor zur Funkübertragung von Daten o- der einem Sensor zur Ermittlung einer Messgröße, z.B. ein Tempe ratursensor, pH-Sensor oder Drucksensor, und/oder iii) medizinischen Gerät, bevorzugt in einem Hörgerät und/oder ei nem Wundverband; und/oder iv) Gerät zum Abspielen von Musikdateien und/oder Videodateien, bevorzugt einem portablen Gerät zum Abspielen von Musikda teien und/oder Videodateien; und/oder v) Fernbedienungsgerät, bevorzugt einem Fernbedienungsgerät für einen Fernseher; und/oder vi) Gerät, welches am Körper des Benutzers befestigt wird und/oder in dessen Kleidung integriert ist, bevorzugt einem Gerät zur Ana lyse körperlicher und/oder medizinischer und/oder sportlicher Ak tivitäten, besonders bevorzugt einer Armbanduhr mit Mikropro zessor (Smart watch), eines Geräts zur Aufzeichnung körperlicher Aktivität (Activity tracker), einer Brille mit elektronischen Zusatz funktionen oder eines Schlafanalysegeräts; und/oder vii) intelligenten Etikett, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindes tens eine elektronische Komponente, bevorzugt einen Mikropro zessor und besonders bevorzugt zusätzlich eine Anzeigeeinheit und/oder Einheit zur drahtlosen Übertragung von Daten enthält; und/oder viii) Headset, Kopfhörer oder Ohrhörer.
38. Verwendung gemäß Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung der Kathode (105) der Vorrichtung mit i) einem Menschen verbunden wird und dass ein wasserhaltiges Fluid durch Schwitzen und/oder Atmung und/oder Wundsekretion eines Menschen in die mindestens eine Öffnung der Vorrichtung gelangt; und/oder ii) einem Tier verbunden wird und dass ein wasserhaltiges Fluid durch Schwitzen und/oder Atmung und/oder Wundsekretion ei nes Tieres in die mindestens eine Öffnung der Vorrichtung ge- langt; und/oder iii) einer Pflanze verbunden wird, dass ein wasserhaltiges Fluid durch Transpiration der Pflanze in die mindestens eine Öffnung der Vor richtung gelangt.
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