WO2009133040A1 - Vorrichtung zur stromerzeugung - Google Patents

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WO2009133040A1
WO2009133040A1 PCT/EP2009/055006 EP2009055006W WO2009133040A1 WO 2009133040 A1 WO2009133040 A1 WO 2009133040A1 EP 2009055006 W EP2009055006 W EP 2009055006W WO 2009133040 A1 WO2009133040 A1 WO 2009133040A1
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electrode
electrodes
separating layer
carrier material
voltage
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PCT/EP2009/055006
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Vadim Gogichev
Peter Smyslov
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Philippe Saint Ger Ag
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    • H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making

Definitions

  • the present invention relates to devices for power generation, and to methods for the production of devices for power generation, according to the preambles of the independent claims.
  • Characteristic examples are: chromoproteins of halophilic bacteria (called bacteriorhodopsin, similar to the mammalian visual system protein); Seh Rhodopsin, the photosensitive photoreceptor cell pigment of the vertebrate retina; Transport adenosine triphosphatases, membrane systems for the active and energy-independent transport of ions against a gradient of their electrochemical potential; Cytochrome oxidase, a final component in the respiratory chain of all aerobic organisms; Na +, K + activated adenosine triphosphatase from plasma membranes; This most energy-consuming energy production facility in cells provides energy for the transport of sodium and potassium towards their gradient.
  • the content of such systems are particularly high in organs responsible for the performance of electrical work for this or that need of an organism (nerves, brain, electric organ of a stingray, etc.).
  • transport proteins and receptor proteins These proteins participate directly in the transport of electrons, ions, various substances, etc. within biosystems.
  • the transport proteins are as a rule ascribed to the following: cytochrome C; Chlorophyll (participate in the transfer of electrons from the donor to the acceptor); Oxy reductases (catalysts for redox reactions); Transferases (catalysts for the transfer of different groups from one molecule to the other); Hemoglobin, haemocyanin and myoglobin (oxygen carrier); Serum albumin (fatty acid transport in the blood), beta-lipoprotein (lipid transport), ceruloplasmin (copper transport in the blood), lipid-exchanging proteins of membranes, and many others.
  • Rhodopsin of the animal visual system examples include rhodopsin of the animal visual system, the closely related bacteriorhodopsin.
  • Rhodopsins in various biosystems act as proton pumps, which directly transport different ions (H + , D +, and others) across cell membranes, and maintain an electrical potential difference across said membranes at a level sufficient for the survival of halophilic bacteria extreme conditions, or for the generation of visual stimuli in animals.
  • a primary structure defines a sequence of different order subunits in the chain
  • a secondary structure defines the folding pattern of the chain (alpha helix, beta structure, Betbend or something else)
  • a tertiary structure represents the spatial orientation of the chains possible interactions between different ones
  • Separate subunits of a protein ensemble are described by the so-called quaternary structure.
  • Membrane systems are predominantly protein subunits composed of different subunits, characterized by all four structural hierarchies, and embedded in a lipid matrix of a membrane to be precisely aligned and function as a unit.
  • such a zwitterion subunit is a certain combination of interacting atoms, such as C, O, N, H and others, and at least two groups with excess (+; this is usually the protonated amino group NH 3 + ) and deficiency (- this is usually the deprotonated carboxyl group COO " ) of charge, such a subunit is de facto a structurally complete, functionally stable and self-sufficient element with spatially separated Charges which define a corresponding electrical potential difference and electric field strength within their area.
  • the membrane structures or membrane matrices must be formed as non-conductive, electrically insulating structures.
  • Biomembranes which separate both charged atoms and molecules (ions) from bioorganic subunits like an insulating layer, work in a similar way to a capacitor.
  • the object of the invention is to provide a new advantageous device for power generation, and a method for producing a device for power generation.
  • a device for generating electricity having a first electrode and a second electrode and a separating layer arranged between these electrodes, is improved if this separating layer comprises at least one zwitterion compound and / or one radical compound.
  • a zwitterion compound may be an amino acid, preferably a natural amino acid.
  • Particularly suitable are glycine or histidine.
  • the free radical compound is preferably stable and at least sparingly water soluble.
  • Particularly suitable are organic radicals, for example radicals of aromatic hydrocarbons.
  • triple aromatic substituted methyl radicals such as radical Ph3C " , ie triphenylmethyl.
  • Such radicals have a beneficial effect on the transport of Electrons in the separation layer, due to the delocalized Pi systems, but also to the transport of protons, due to the binding of protons to these Pi systems.
  • the separating layer between the two electrodes advantageously comprises a carrier material, which may be, inter alia, gel-like or solid.
  • a carrier material which may be, inter alia, gel-like or solid.
  • Suitable for example, a woven or knitted fabric made of linen or cotton, such as cotton gauze.
  • cellulose-containing composite materials for example materials consisting of or including cellulose fibers or other high molecular weight polysaccharides, in particular
  • Glucans or chitin (beta-1, 4-linked N-acetyl-glucosamine).
  • Release layers can be made from organic raw materials, such as vegetable fibers.
  • Cellulose fibers support the formation of internal structures in the
  • a suitably prepared cellulosic material for example a pulp of straw fibers
  • a strong alternating electromagnetic field in order to destroy the intercellular and intracellular compounds of the organic starting materials.
  • the advantageous effect can be further improved by adding ferromagnetic particles, for example with a length of 3-5 mm and a diameter of 0.1 to 2.5 mm.
  • the proportion of the ferromagnetic particles is, for example, 1 to 20 weight percent, while the liquid content may be up to 40 weight percent.
  • the ferromagnetic particles in the electromagnetic alternating field support the disintegration of the organic material.
  • the zwitterion compounds and / or radical compounds of the device according to the invention are already added to the cellulosic mass at this time, or the corresponding compounds can be applied later.
  • a device for generating electricity thus includes a first electrode and a second electrode and a separating layer arranged between the two electrodes.
  • the separation layer comprises at least one zwitterion compound and / or one radical compound.
  • the zwitterion compound is an amino acid, especially a natural amino acid, and preferably glycine or histidine.
  • the radical compound is preferably a stabilized organic radical, in particular a triply aromatic substituted methyl radical, and preferably triphenylmethyl or a derivative thereof.
  • the pH in the separating layer is preferably chosen so that there is a maximum concentration of neutral zwitterions.
  • the first and / or the second electrode of a device according to the invention can consist, for example, of carbon, tin, zinc or of an organic conductor.
  • one or both of the electrodes of the device is coated with a material suitable for cold electron emission, preferably by sputtering, sputtering or plasma coating.
  • the separating layer has a carrier material.
  • This carrier material may be gel-like or solid.
  • the carrier material is preferably a textile fabric, preferably a woven or nonwoven fabric made of cellulose, in particular linen or cotton.
  • the carrier material comprises a cellulosic and / or chitin-containing mass.
  • the cellulosic and / or chitin-containing mass has been comminuted in an alternating electromagnetic field.
  • the device comprises a galvanic cell.
  • an external voltage is applied between the two electrodes for a certain period of time after the two electrodes and the separating layer have been brought together. This leads to a structure formation in the separating layer, which supports the function of the device according to the invention.
  • FIG. 1 An inventive device for power generation 6 is shown schematically in Figure 1. Between a plate-shaped first electrode 1 and a plate-shaped second electrode 2, a separating layer 3 is arranged with a carrier material.
  • the two electrodes 1, 2 are made of electrographite, and have a polished surface to minimize the resistance.
  • the electrodes 1, 2 connected to a measuring device 4, with which the voltage and current values can be measured.
  • the release layer 3 is made of cotton fabric which is impregnated with glycine and triphenylmethyl.
  • a first electrode 1 is formed on a suitable non-conductive substrate 5, for example glass
  • Electrographite arranged with a cleaned surface. The area of the first electrode
  • a saturated solution (75.08 M) is prepared.
  • the pH is adjusted to 7.0.
  • the glycine molecules are predominantly in the neutral zwitterionic state.
  • a second triphenylmethyl radical solution is prepared, the concentration of which is between 0.01% and 0.1% of the concentration of the glycine solution.
  • 0.25-0.3 microliters of the glycine solution are then applied to the support material, and 0.25-0.3 microliters of the radical solution after 1-2 minutes.
  • the second electrode 2 is applied, and the device is pressed by external pressure on the electrodes.
  • ⁇ U increased to 140 mV in a subsequent measurement.
  • Table 1 shows by way of example the measured voltage and current values on a power generating device according to the invention, for further combinations of electrodes and separating layers.
  • the achievable voltage depends on the type of zwitterion or radical compound used, the solvent system, the concentrations, as well as the type of electrodes and the external load.
  • the inventive devices for power generation are particularly suitable as energy storage for consumers with long term and low power consumption, for example, for medical implants.
  • FIG. 2 A further embodiment of an inventive device is shown schematically in Figure 2, in a cross section.
  • the illustrated device 6 comprises a rod-shaped inner electrode 1, a separating layer 3 completely enclosing it, and an outer electrode 2.
  • the device is further provided with a suitable insulating layer 5a.
  • An experimental device was constructed from a first electrode in the form of a rod-shaped carbon electrode 1, which has a prepared separating layer 3 was wrapped.
  • the release layer 3 consisted of cotton gauze as support material, which was impregnated with a solution of 1 g of triphenylmethyl in 3 ml of water.
  • a second electrode 2 in the form of a zinc-plated sleeve was attached, which surrounded the first electrode 1 and the separating layer 3 in a positive and non-positive manner.
  • the zinc plate cuff had a length of 1 5 mm in the longitudinal direction of the carbon electrode, and an inner diameter of 8.8 mm.
  • the sheet thickness was 1 mm.
  • the separating layer after the impregnation with the triphenylmethyl solution, can be dried and subsequently wound around the first, inner electrode. After enclosing the separating layer 3 with the outer electrode 2, finally, the separating layer is again impregnated with triphenylmethyl solution.
  • a further experimental device was constructed from a first electrode in the form of a rod-shaped carbon electrode 1, which was wrapped with a prepared separating layer 3.
  • the release layer 3 consisted this time of cotton gauze, which was impregnated with a solution of 20 g of glycine in 100 ml of water.
  • the second electrode 2 in the form of a zinc plate sleeve was attached, which surrounded the first electrode 1 and the release layer 3 positive and non-positive.
  • the device 6 was wrapped with insulating tape 5a.
  • the separating layer is repeatedly soaked with the clycine solution and dried, and after assembly of the device, the separating layer is again soaked in the clycine solution.
  • the device was also exposed to an external stimulus analogous to Example 2, with a voltage source with a voltage of 6.6 V, for a period of 20 seconds.
  • the voltage curve measured after the stimulus is shown in FIG. 4 (b).
  • the device was then subjected to a stress test.
  • the device with a load resistance /? L connected, and measured the voltage applied thereto U.
  • a device according to the invention was prepared analogously to Example 2, with a solution of 1 g of triphenylmethyl in 9 ml of water.
  • the electrode of an arc lamp serves as the carbon electrode. This results in a voltage of 1 .1 V.
  • the device was then exposed to an external stimulus of 8.5 V for 1.5 seconds. After 10 minutes, the external stimulus was repeated. After another five minutes, the device resulted in a voltage of 1.21 V.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung (6) zur Stromerzeugung, mit einer ersten Elektrode (1) und einer zweiten Elektrode (2), ist zwischen den beiden Elektroden (1, 2) eine Trennschicht (3) angeordnet, die mindestens eine Zwitterionenverbindung und/oder eine Radikalverbindung umfasst. Nach dem Zusammenbringen der beiden Elektroden (1, 2) und der Trennschicht (3) wird für einen bestimmten Zeitraum eine externe Spannung zwischen den beiden Elektroden (1, 2) angelegt.

Description

Vorrichtung zur Stromerzeugung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Stromerzeugung, sowie Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen zur Stromerzeugung, gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
In lebenden Zellen ist eine Vielzahl von funktionell deterministischen Membransystemen oder Komplexen vorhanden, welche für verschiedene Zwecke vorgesehen sind, wie beispielsweise Informationsverarbeitung, Informationsübertragung, Erzeugung elektrischer Energie, Synthese von Metaboliten, und anderen Funktionen, um die Lebensfähigkeit und normale Funktion der Zellen sicherzustellen. Hauptsächlich sind solche Systeme Proteinensembles, eingebettet in die Lipidmatrix einer Membran und räumlich ausgerichtet. Charakteristische Beispiele sind: Chromoproteine von halophilen Bakterien (Bacteriorhodopsin genannt, ähnlich dem Sehsystem-Protein von Säugetieren); Seh- Rhodopsin, das lichtempfindliche Photorezeptor-Zellpigment der Retina von Wirbeltieren; Transport-Adenosintriphosphatasen, Membransysteme für den aktiven und energieunabhängigen Transport von Ionen gegen einen Gradienten ihres elektrochemischen Potentials; Cytochrom-Oxidase, eine letzte Komponente in der Atmungskette aller aerober Organismen; Na+, K+ aktivierte Adenosintriphosphatase von Plasmamembranen; diese am meisten Energie verbrauchende Energieproduktionsanlage in Zellen stellt Energie für den Transport von Natrium und Kalium gegen ihren Gradienten zur Verfügung. Der Gehalt an solchen Systemen ist besonders hoch in Organen, welche für die Ausführung elektrischer Arbeit für dieses oder jenes Bedürfnis eines Organismus verantwortlich sind (Nerven, Gehirn, elektrisches Organ eines Stachelrochens, etc.).
Die wichtigsten strukturellen Einheiten der aufgelisteten und anderer, funktionell ähnlicher, bioorganischer Strukturen sind die so genannten Transportproteine und Rezeptorproteine. Diese Proteine nehmen direkt teil im Transport von Elektronen, Ionen, verschiedener Substanzen, etc. innerhalb von Biosystemen. Den Transportproteinen werden in der Regel Folgende zugeschrieben: Cytochrom C; Chlorophyll (nehmen teil am Transfer von Elektronen vom Donor zum Akzeptor); Oxyreduktasen (Katalysatoren für Redox-Reaktionen); Transferasen (Katalysatoren für die Übertragung von verschiedenen Gruppen von einem Molekül auf das andere); Hämoglobin, Haemocyanin und Myoglobin (Sauerstoffträger); Serum-Albumin (Fettsäurentransport im Blut), Beta-Lipoprotein (Lipid-Transport), Ceruloplasmin (Kupfertransport im Blut), Lipid-austauschende Proteine von Membranen, und viele andere. Beispiele für Rezeptorproteine sind das Rhodopsin des tierischen Sehsystems, das nahe verwandte Bacteriorhodopsin. Rhodopsine in verschiedenen Biosystemen wirken als Protonen-Pumpen, welche direkt verschiedene Ionen (H+, D+ und andere) durch Zellmembranen transportieren, und eine elektrische Potentialdifferenz über die genannten Membranen auf einem Wert aufrecht erhalten, welcher ausreicht für das Überleben von halophilen Bakterien unter extremen Bedingungen, bzw. für die Generierung von Sehreizen bei Tieren.
Die genannten Biosysteme sind sowohl strukturell als auch räumlich genau geordnet, respektive strukturiert, und das auf verschiedenen Ordnungsebenen. Eine Primärstruktur definiert eine Sequenz von verschiedenen Ordnungsuntereinheit in der Kette, eine Sekundärstruktur definiert das Faltungsmuster der Kette (Alpha-Helix, Beta-Struktur, Beta- bend oder etwas anderes), und eine Tertiärstruktur stellt die räumliche Orientierung der Ketten dar. Räumliche Beziehungen und mögliche Interaktionen zwischen verschiedenen getrennten Untereinheiten eines Protein-Ensembles werden durch die so genannte Quartärstruktur beschrieben. Membransysteme sind vorwiegend aus verschiedenen Untereinheiten zusammen gesetzte Proteinensembles, charakterisiert durch alle vier Strukturhierarchien, und in eine Lipidmatrix einer Membran eingebettet, um genau ausgerichtet zu sein und als Einheit zu funktionieren. Diese ausgesprochen strikte Orientierung der in der Lipidmembran angeordneten Untereinheiten ist es, welche Biosystemen in vivo die Möglichkeit der gerichteten Bewegung (durch die Membran) von elektrischen Ladungsträgern innerhalb von geordneten Biomaterialien ermöglicht, und auch der Cenerierung von elektrischen Potentialdifferenzen an den Grenzen dieser Biomaterialien und deren Nutzung in vivo als Quelle von elektromotorischer Kraft erlaubt.
Die Untereinheiten eines jeden Proteins sind Aminosäuren. Abhängig vom pH-Wert liegt jede Aminosäure entweder in der Form eines polaren einwertigen Ions (mit positiver oder negativer Ladung) oder eines dipolaren Ions (Zwitterion) vor, mit protonierter Aminogruppe (NH3 +) und deprotonierter Carboxylgruppe (COO"). Insbesondere existieren unter neutralen Bedingungen (pH=7.0) praktisch alle Aminosäuren als Zwitterionen.. Da eine solche Zwitterionen-Untereinheit eine bestimmte Kombination von wechselwirkenden Atomen ist, wie beispielsweise C, O, N, H und andere, und mindestens zwei Gruppen mit Überschuss (+ ; dies ist in der Regel die protonierte Aminogruppe NH3 +) und Mangel (- ;dies ist in der Regel die deprotonierte Carboxylgruppe COO") an Ladung enthält, ist eine solche Untereinheit de facto ein strukturell komplettes, funktionell stabiles und autarkes Element mit räumlich getrennten Ladungen, welche eine entsprechende elektrische Potentialdifferenz und elektrische Feldstärke innerhalb ihres Gebietes definieren.
Da Generierung und Aufrechterhaltung des Membranpotentials lebenswichtig ist für die
Erfüllung der Grundfunktionen einer Zelle, müssen die Membranstrukturen oder Membranmatrizen als nicht-leitende, elektrisch isolierende Strukturen gebildet werden. In der
Elektrotechnik nennt man eine System, das wegen der Trennung von elektrischen Ladungen durch eine nicht-leitende Schicht arbeitet, einen Kondensator. Biomembranen, welche wie eine isolierende Schicht sowohl geladene Atome als auch Moleküle (Ionen) von bioorganischen Untereinheiten trennen, arbeiten also ähnlich wie ein Kondensator.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue vorteilhafte Vorrichtung zur Stromerzeugung zur Verfügung zu stellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Stromerzeugung. Diese und andere Aufgaben werden erfüllt durch eine Vorrichtung zur Stromerzeugung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung, gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Darstellung der Erfindung
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass eine Vorrichtung zur Stromerzeugung, mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode und einer zwischen diesen Elektroden angeordneten Trennschicht, verbessert wird, wenn diese Trennschicht mindestens eine Zwitterionenverbindung und/oder eine Radikalverbindung umfasst. Eine solche Zwitterionenverbindung kann eine Aminosäure sein, bevorzugt eine natürliche Aminosäure. Besonders geeignet sind Glycin oder Histidin. Die Radikalverbindung ist bevorzugt stabil, und zumindest begrenzt wasserlöslich. Geeignet sind insbesondere organische Radikale, beispielsweise Radikale von aromatischen Kohlenwasserstoffen. Besonders geeignet sind dreifach aromatisch substituierte Methylradikale, wie z.B. Radikal Ph3C", also Triphenylmethyl. Solche Radikale haben eine vorteilhafte Wirkung auf den Transport von Elektronen in der Trennschicht, aufgrund der delokalisierten Pi-Systeme, aber auch auf den Transport von Protonen, aufgrund der Bindung von Protonen an diesen Pi-Systemen.
Die Trennschicht zwischen den beiden Elektroden umfasst vorteilhaft ein Trägermaterial, das unter anderem gelartig oder fest sein kann. Geeignet ist beispielsweise ein Gewebe oder Gewirke aus Leinen oder Baumwolle, beispielsweise Baumwollmull. Besonders geeignet sind auch zellulose-haltige Kompositmaterialien, beispielsweise Materialien bestehend oder beinhaltend Zellulosefasern oder andere hochmolekulare Polysaccharide, insbesondere
Glucane, oder auch Chitin (beta-1 ,4-linked N-acetyl-glucosamin). Solche vorteilhafte
Trennschichten können aus organischen Rohmaterialien gefertigt werden, wie beispielsweise Pflanzenfasern. Zellulosefasern unterstützen die Ausbildung der inneren Strukturen in der
Trennschicht, und damit die Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Ein besonders geeignetes Material zur Herstellung von Trennschichten für eine erfindungsgemässe Vorrichtung ist dargestellt in der schweizerischen Patentanmeldung Nr. 1 889/08, deren Inhalt einen integralen Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung bilden soll.
In der genannten vorteilhaften Methode wird eine geeignet vorbereitete zellulosehaltige Masse, beispielsweise eine Pulpe aus Strohfasern, einem starken elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, um die interzellulären und intrazellulären Verbindungen der organischen Ausgangsstoffe zu zerstören. Der vorteilhafte Effekt kann weiter verbessert werden durch Zugabe von ferromagnetischen Partikeln, beispielsweise mit einer Länge von 3-5 mm und einem Durchmesser von 0.1 bis 2.5 mm. Der Anteil der ferromagnetischen Partikel beträgt beispielsweise 1 -20 Gewichtsprozent, während der Flüssigkeitsgehalt bis 40 Gewichtsprozent betragen kann. Die ferromagnetischen Partikel im elektromagnetischen Wechselfeld unterstützen die Desintegration des organischen Materials. Nach der Herstellung der vorteilhaften Zellulosemasse wird diese in einer erfindungsgemässen Vorrichtung in der notwendigen Form angeordnet, beispielsweise als dünne Schicht zwischen den beiden Elektroden. Anschliessend wird die Zellulosemasse getrocknet. Auch eine zusätzliche Aushärtung der Schicht ist möglich.
Es ist möglich, dass die Zwitterion-Verbindungen und/oder Radikalverbindungen der erfindungsgemässen Vorrichtung bereits zu diesem Zeitpunkt der zellulosehaltigen Masse zugegeben werden, oder die entsprechenden Verbindungen können später aufgebracht werden.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Stromerzeugung, beinhaltet also eine ersten Elektrode und eine zweite Elektrode und eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete Trennschicht. Die Trennschicht umfasst mindestens eine Zwitterionenverbindung und/oder eine Radikalverbindung.
Vorzugsweise ist die Zwitterionenverbindung eine Aminosäure, insbesondere eine natürliche Aminosäure, und bevorzugt Glycin oder Histidin. Die Radikalverbindung wiederum ist bevorzugt ein stabilisiertes organisches Radikal, insbesondere ein dreifach aromatisch substituiertes Methylradikal, und bevorzugt Triphenylmethyl oder ein Derivat davon.
Der pH-Wert in der Trennschicht wird bevorzugt so gewählt, dass eine maximale Konzentration an neutralen Zwitterionen vorliegt.
Die erste und/oder die zweite Elektrode einer erfindungsgemässen Vorrichtung kann beispielsweise aus Kohlenstoff, Zinn, Zink oder aus einem organischen Leiter bestehen. Bevorzugt ist eine oder beide der Elektroden der Vorrichtung mit einem Material beschichtet, das für die kalten Elektronen-Emission geeignet ist, vorzugsweise durch Sputtern, Bedampfung oder Plasmabeschichtung. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung weist die Trennschicht ein Trägermaterial auf. Dieses Trägermaterial kann gelartig oder fest sein. Bevorzugt ist das Trägermaterial ein textiles Flächengebilde, vorzugsweise ein Gewebe oder Vlies aus Cellulose, insbesondere Leinen oder Baumwolle.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante umfasst das Trägermaterial eine zellulosehaltige und/oder chitinhaltige Masse. Bevorzugt ist die zellulosehaltige und/oder chitinhaltige Masse in einem elektromagnetischen Wechselfeld zerkleinert worden.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine galvanische Zelle.
Bei einem vorteilhaften erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Stromerzeugung wird nach dem Zusammenbringen der beiden Elektroden und der Trennschicht für einen bestimmten Zeitraum eine externe Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt. Dies führt zu einer Strukturbildung in der Trennschicht, was die Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung unterstützt.
Ausführung der Erfindung
Beispiel 1
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Stromerzeugung 6 ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Zwischen einer plattenförmigen ersten Elektrode 1 und einer plattenförmigen zweiten Elektrode 2 ist eine Trennschicht 3 mit einem Trägermaterial angeordnet. Die beiden Elektroden 1 , 2 bestehen aus Elektrographit, und weisen eine polierte Oberfläche auf, um den Widerstand zu minimieren. Mittels Kontaktleitungen sind die Elektroden 1 , 2 mit einem Messgerät 4 verbunden, mit welchem die Spannungs- und Stromwerte gemessen werden können. Die Trennschicht 3 besteht aus Baumwollstoff, der mit Glycin und Triphenylmethyl imprägniert ist.
Bei einer möglichen Variante der Herstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung wird auf einer geeigneten nicht leitenden Unterlage 5, bspw. Glas, eine erste Elektrode 1 aus
Elektrographit mit einer gereinigten Oberfläche angeordnet. Die Fläche der ersten Elektrode
1 beträgt 50 - 1 00 cm2. Darauf wird eine 0.1 bis 0.5 mm dicke Trennschicht 3 in Form eines unbehandelten Baumwollcellulosemulls als Trägermaterial angebracht. Bei Bedarf kann das Gewebe auch in mehreren Schichten vorhanden sein. Testweise wird die zweite Elektrode 2 aus Elektrographit auf der Trennschicht 3 angebracht, und zur Kontrolle der
Widerstand und die Kapazität gemessen (> 20 MOhm; 0,01 1 -0,01 9 nF bei 1 20 Hz).
Aus hochreinem Wasser (Leitfähigkeit 4,5 - 6,0 μS) und kristallinem, reinem Glycin wird eine saturierte Lösung (75.08 M) hergestellt. Der pH-Wert wird auf 7.0 eingestellt. Bei diesem Wert liegen die Glycin-Moleküle hauptsächlich im neutralen Zwitterionen-Zustand vor. Analog wird eine zweite Triphenylmethylradikal-Lösung vorbereitet, deren Konzentration zwischen 0.01 % und 0.1 % der Konzentration der Glycinlösung beträgt.
Auf das Trägermaterial werden dann 0.25 - 0.3 Mikroliter der Glycinlösung aufgetragen, und nach 1 -2 Minuten 0.25 - 0.3 Mikroliter der Radikallösung. Die zweite Elektrode 2 wird aufgebracht, und die Vorrichtung durch externen Druck auf die Elektroden verpresst. Mit dem Messgerät 4 wurde anschliessend eine Spannungsdifferenz von ΔU = 1 20 mV gemessen. Nach dem Anlegen einer vorübergehenden Stimulationsspannung auf den Elektroden stieg bei einer anschliessenden Messung ΔU auf 140 mV. Bei Verwendung von Zink (Zn) als Material für die beiden Elektroden betrug die Spannungsdifferenz ΔU = 60 mV, und stieg nach erfolgtem Anlegen der Stimulationsspannung auf 80 mV.
Bei einem Elektrodenpaar aus Kohlenstoff und Zink wurden verschiedene Trennschichten getestet. Wurde für die Imprägnierung der Trennschicht nur Clycinlösung verwendet, betrug die Spannungsdifferenz ΔU = 500-51 0 mV, und stieg nach der Stimulation auf 900 mV. Mit der Triphenylmethylradikallösung betrug die Spannungsdifferenz ΔU = 750-760 mV, und stieg nach der Stimulation auf 1 050 mV. Wurden hingegen beide Lösungen verwendet, betrug die Spannungsdifferenz bereits ΔU = 950-990 mV, und stieg nach der Stimulation auf 1 1 00 mV.
Tabelle 1 zeigt beispielhaft die gemessenen Spannungs- und Stromwerte an einer erfindungsgemässen Stromerzeugungsvorrichtung, für weitere Kombinationen von Elektroden und Trennschichten.
Tabelle 1 : Testresultate
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Legende: C: Kohlenstoff; Zn: Zink; Ph3C' :Tπphenylmethyl ; Sn: Zinn; GIy: Glycin; His: Histidm;
Generell lässt sich sagen, dass die erreichbare Spannung abhängt von der Art der verwendeten Zwitterion- oder Radikalverbindung, des Lösungsmittelsystems, der Konzentrationen, sowie von der Art der Elektroden und des externen Verbrauchers.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen zur Stromerzeugung sind besonders geeignet als Energiespeicher für Verbraucher mit langer Laufzeit und geringer Stromaufnahme, beispielsweise für medizinische Implantate.
Beispiel 2
Eine weitere Ausgestaltungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist schematisch in Figur 2 dargestellt, in einem Querschnitt. Die dargestellte Vorrichtung 6 umfasst eine stabförmige innere Elektrode 1 , eine diese vollständig umschliessende Trennschicht 3 und eine äussere Elektrode 2. Die Vorrichtung ist weiter mit einer geeigneten Isolierschicht 5a versehen.
Eine experimentelle Vorrichtung gemäss Figur 2 wurde aufgebaut aus einer ersten Elektrode in Form einer stabförmigen Kohlenstoffelektrode 1 , die mit einer vorbereiteten Trennschicht 3 umwickelt wurde. Die Trennschicht 3 bestand aus Baumwollmull als Trägermaterial, der mit einer Lösung von 1 g Triphenylmethyl in 3 ml Wasser getränkt wurde. Darum herum wurde eine zweite Elektrode 2 in der Form einer Zinkblech-Manschette angebracht, welche die erste Elektrode 1 und die Trennschicht 3 form- und kraftschlüssig umgab. Die Zinkblech- Manschette hatte in Längsrichtung der Kohlenstoffelektrode eine Länge von 1 5 mm, und einen Innendurchmesser von 8.8 mm. Die Blechdicke betrug 1 mm.
Beide Elektroden 1 , 2 verfügten über elektrische Anschlüsse 1 1 , 21 . Abschliessend wurde die Vorrichtung 6 mit Isolierband 5a umwickelt. Nach dem Fertigstellen der Vorrichtung lag zwischen den beiden Elektroden eine Spannung U = 1 .08 V an.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Trennschicht nach dem Tränken mit der Triphenylmethyl-Lösung getrocknet und anschliessend um die erste, innere Elektrode gewickelt werden. Nach dem Umschliessen der Trennschicht 3 mit der äusseren Elektrode 2 wird schliesslich die Trennschicht nochmals mit Triphenylmethyl-Lösung getränkt.
Um den Innenwiderstand R1 der erfindungsgemässen Vorrichtung zu messen, wurde ein zuvor vollständig entladener Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazität von C = 470 μF mit den beiden Elektroden der Vorrichtung verbunden. Die an dem Kondensator anliegende Spannung U wurde als Funktion der Zeit t aufgenommen. Die Resultate sind in Figur 3(a) dargestellt.
Die Spannung am Kondensator richtet sich nach der Formel U = U^λ - exp(t//?,C)) + LO- Durch einen Fit der Messresultate in Figur 3(a) erhält man U = 0.294*(l -exp(- 0.734*t))+0.752, woraus sich ein Innenwiderstand der Vorrichtung von R1 = 1 74 kOhm (±7%) ergibt. Die Vorrichtung wurde anschliessend einem externen Stimulus ausgesetzt, und die erwünschten internen Strukturen auszubilden. Zu diesem Zweck wurde die Vorrichtung für 20 Sekunden an eine Spannungsquelle mit einer Spannung von 6.6 V angelegt (Pluspol an die erste Elektrode, Minuspol an die zweite Elektrode), wobei der Stromfluss durch einen entsprechend gewählten Innenwiderstand der Spannungsquelle begrenzt wurde. Die nach dem Stimulus gemessene Spannungskurve ist in Figur 3(b) dargestellt. Nach dem Stimulus resultiert eine höhere Spannung an der Vorrichtung.
Beispiel 3
Eine weitere experimentelle Vorrichtung gemäss Figur 2 wurde aufgebaut aus einer ersten Elektrode in Form einer stabförmigen Kohlenstoffelektrode 1 , die mit einer vorbereiteten Trennschicht 3 umwickelt wurde. Die Trennschicht 3 bestand diesmal aus Baumwollmull, der mit einer Lösung von 20 g Glycin in 100 ml Wasser getränkt wurde. Darum herum wurde wiederum die zweite Elektrode 2 in der Form einer Zinkblech-Manschette angebracht, welche die erste Elektrode 1 und die Trennschicht 3 form- und kraftschlüssig umgab. Anschliessend wurde die Vorrichtung 6 mit Isolierband 5a umwickelt. Die anliegende Spannung nach dem Fertigstellen der Vorrichtung betrug U = 1 .02 V an.
In einer anderen, bevorzugten Variante wird die Trennschicht wiederholt mit der Clycin- Lösung getränkt und getrocknet, und nach dem Zusammenbau der Vorrichtung wird die Trennschicht erneut mit der Clycin-Lösung getränkt.
Analog zu Beispiel 2 wurde wiederum der Innenwiderstand R1 der erfindungsgemässen Vorrichtung gemessen, indem ein Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazität von C = 470 μF mit den beiden Elektroden der Vorrichtung verbunden und die an dem Kondensator anliegende Spannung U als Funktion der Zeit t aufgenommen wurde. Die Resultate sind in Figur 4(a) dargestellt.
Der Fit oben genannten Formel U = £/i (l - exp(t//?,C)) + Uo an die Messresultate in Figur 4(a) ergibt U = 0.1 32*(l -exp(-O.3.21 *t))+0.874, woraus sich für den Innenwiderstand der Vorrichtung ein Wert von R1 = 40 kOhm (±1 1 %) ergibt.
Die Vorrichtung wurde analog zu Beispiel 2 ebenfalls einem externen Stimulus ausgesetzt, mit einer Spannungsquelle mit einer Spannung von 6.6 V, für einen Zeitdauer von 20 Sekunden. Die nach dem Stimulus gemessene Spannungskurve ist in Figur 4(b) dargestellt.
Beispiel 4
Noch eine weitere experimentelle Vorrichtung gemäss Figur 2 wurde analog zu Beispiel 3 aufgebaut. Die Clycin-Lösung enthielt zusätzlich noch Carboxymethyl-Cellulose, um die Haftung auf dem Trägermaterial zu optimieren. Die resultierende Spannung nach dem Zusammenbau der Vorrichtung betrug U = 0.97 V.
Die Vorrichtung wurde anschliessend einem Belastungstest unterzogen. Zu diesem Zweck wurde die Vorrichtung mit einem Last-Widerstand /?L verbunden, und die daran anliegende Spannung U gemessen. Bei /?L = 1 MOhm betrug die Spannung U = 0.96 V, bei /?L = 560 kOhm betrug die Spannung U = 0.95 V, und bei /?L = 222 kOhm betrug der Wert U = 0.92 V. Bei einem Lastwiderstand von /?L = 100 kOhm pendelte die Spannung nach vier Minuten bei U = 0.79 V ein, was einem Stromfluss von ca. / = 8 μA entspricht.
Nach einem externen Stimulus für 20 Sekunden, mit einer Spannungsquelle mit 9.4 V, resultierte nach zehn Minuten an der Vorrichtung eine Spannung von U = 1 .55 V. Beispiel 5
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung wurde analog zu Beispiel 2 vorbereitet, mit einer Lösung von 1 g Triphenylmethyl in 9 ml Wasser. Als Kohlenstoffelektrode dient die Elektrode einer Lichtbogenlampe. Es resultiert eine Spannung von 1 .1 V. Die Vorrichtung wurde anschliessend für 1 5 Sekunden einem externen Stimulus von 8.5 V ausgesetzt. Nach 1 0 Minuten wurde der externe Stimulus wiederholt. Nach weiteren fünf Minuten resultierte an der Vorrichtung eine Spannung von 1 .21 V.
Wiederum wurde der Innenwiderstand R1 der erfindungsgemässen Vorrichtung gemessen, durch Laden eines Elektrolyt-Kondensators mit einer Kapazität von C = 470 μF. Die an dem Kondensator anliegende Spannung U als Funktion der Zeit t ist in Figur 5 gezeigt, mit einer Fit-Funktion U = 0.844*(l -exp(-0.2042 *t))+0.361 . Der Innenwiderstand beträgt demnach R1 = 1 0.4 k0hm (±4%).

Claims

Patentansprüche
1 Vorrichtung (6) zur Stromerzeugung, mit einer ersten Elektrode (1 ) und einer zweiten Elektrode (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Elektroden (1 ,2) eine Trennschicht (3) angeordnet ist, die mindestens eine Zwitterionenverbindung und/oder eine Radikalverbindung umfasst.
2 Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwitterionenverbindung eine Aminosäure ist, insbesondere eine natürliche Aminosäure, und bevorzugt Glycin oder Histidin.
3 Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radikalverbindung stabilisiertes organisches Radikal ist, insbesondere ein dreifach aromatisch substituiertes Methyl radikal, und bevorzugt Triphenylmethyl oder ein Derivat davon.
4 Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (3) ein Trägermaterial aufweist.
5 Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial gelartig oder fest ist.
6 Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein textiles Flächengebilde, vorzugsweise ein Gewebe oder Vlies aus Cellulose, insbesondere Leinen oder Baumwolle, umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine zellulosehaltige und/oder chitinhaltige Masse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulosehaltige und/oder chitinhaltige Masse in einem elektromagnetischen Wechselfeld zerkleinert worden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) eine galvanische Zelle umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1 ) und/oder die zweite (2) Elektrode aus Kohlenstoff, Zinn, Zink oder aus einem organischen Leiter besteht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1 ) und/oder die zweite (2) Elektrode mit einem Material beschichtet ist, das für die kalten Elektronen-Emission geeignet ist, vorzugsweise durch Splittern, Bedampfung oder Plasmabeschichtung.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (6) zur Stromerzeugung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zusammenbringen der beiden Elektroden (1 ,2) und der Trennschicht (3) für einen bestimmten Zeitraum eine externe Spannung zwischen den beiden Elektroden (1 ,2) angelegt wird.
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