PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004053938A1 11.05.2006
Titel Galvanische Zellen mit Hochfrequenzheizung
Anmelder Bauer, Felix, 95444 Bayreuth, DE;
Marudhachalam, Panneerselvam, 95445 Bayreuth, DE;
Tap, Roland, 95445 Bayreuth, DE;
Willert-Porada, Monika, Prof. Dr., 95448 Bayreuth, DE
Erfinder Bauer, Felix, 95444 Bayreuth, DE;
Marudhachalam, Panneerselvam, 95445 Bayreuth, DE;
Tap, Roland, 95445 Bayreuth, DE;
Willert-Porada, Monika, Prof. Dr., 95448 Bayreuth, DE
DE-Anmeldedatum 09.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004053938
Offenlegungstag 11.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.2006
IPC-Hauptklasse B01J 19/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01M 8/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01M 6/50(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01M 10/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C25B 15/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Entwicklung liegt auf dem Gebiet der Elektrochemie und der Hochfrequenztechnik (Mikrowellentechnologie). Sie ist für die Verwendung an elektrochemischen Zellen aller Art, d. h. galvanische Elemente (Primär- und Sekundärelemente wie Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen) und Elektrolysezellen geeignet.
Die Erfindung befasst sich mit der Entwicklung einer Mikrowellentechnologie zur Energiedissipation in solchen elektrochemischen Zellen. Die Elektroden der elektrochemischen Zelle werden gleichzeitig als Antennen zur Abstrahlung der Hochfrequenz eingesetzt. Durch die selektive Heizung der räumlich eng begrenzten elektrochemischen Reaktionszone zwischen Zellelektrolyt und Elektroden können sehr hohe Heizraten in dieser Zone erzielt werden. Mit kurzen Hochfrequenzpulsen im Millisekundenbereich kann eine kontrollierte kurzfristige Temperaturüberhöhung der Zone erreicht werden, um adsorbierte Spezies (z. B. Katalysatorgifte) zu desorbieren, die Reaktionskinetik zu beschleunigen und die Leitfähigkeit des angrenzenden Elektrolyten zu verbessern. Die Beschleunigung der Reaktionskinetik hat besonders für das Kaltstartverhalten der galvanischen Zelle eine hohe Bedeutung.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die beschriebene Entwicklung liegt auf dem Gebiet der Elektrochemie und der Hochfrequenztechnik (Mikrowellentechnologie). Sie ist für die Verwendung an elektrochemischen Zellen aller Art, d.h. galvanische Elemente (Primär- und Sekundärelemente wie Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen) und Elektrolysezellen geeignet. Die Erfindung befasst sich mit der Entwicklung einer Mikrowellentechnologie zur Energiedissipation in solchen elektrochemischen Zellen.

Der gegenwärtige Stand der Technik soll hier zunächst fokussiert auf die Brennstoffzellentechnologie dargestellt werden. Grund dafür ist, dass die Erfinder hier das grösste Anwendungspotential ihrer Entwicklung sehen. Viele der gemachten Aussagen sind auch auf andere elektrochemische Zellen anwendbar.

Moderne Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC)-Aggregate bestehen aus Einzelzellen mit einer aktiven Zellfläche zwischen etwa 5-500 cm2 und werden bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 90°C betrieben. Die Anode besteht aus Kohlenruss-geträgerten Platin-Legierungen (meistens Pt, Pt-Ru), die Kathode aus Kohlenrussgeträgerten Platin. Der Polymerelektrolyt ist ein chemisch und thermisch beständiges Polymer mit protonenabspaltenden Seitengruppen (meistens Sulfonate).

Stand der Technik im automobilen Bereich sind PEMFC-Aggregate, die mit reinem Wasserstoff (H2) aus Metallhydrid-, Druck- und Cryo-Flüssigspeichern oder mit Reformatgas (H2, CO2, CO) versorgt werden. Das Reformatgas wird beispielsweise aus Erdgas gewonnen. Erdgasflüssigspeicher sind im Gegensatz zu Wasserstoffspeichern einfach zu bauen, kostengünstig, besitzen ein geringes Gewicht und haben eine hohe Energiedichte. Ein Nachteil der Technik ist die Umsetzung zu klimaschädlichen Produkten (Kohlendioxid, CO2) und die aufwändige Zusatztechnik, da neben dem Reformer eine Entschwefelung, ein Shift-Konverter und eine Kohlenmonoxid (CO)-Reinigungsstufe benötigt wird.

Eine Alternative zur Wasserstoffbrennstoffzelle könnte die Direkt-Brennstoffzelle, in der Alkohole wie Methanol und Ethanol, Dimethylether oder andere Brennstoffe verwendet werden, bieten. Aufgrund der im Vergleich zum Wasserstoffbetrieb niedrigeren Leistungsdichte und des schlechteren Wirkungsgrades wird die direkte Verbrennung organischer Energieträger im Bereich mittlerer bis hoher Leistung (100W-100 kW) derzeit als uninteressant betrachtet. Könnten die Nachteile jedoch aufgehoben werden, zeigt dieses Konzept bedeutende Vorteile gegenüber der H2-Techologie: Reformator und Gasaufbereitung würden völlig entfallen und die Speicherung und Betankung würde sich durch bereits bestehende Lösungen und Infrastrukturen stark vereinfachen.

Ein bisher ungelöstes Problem stellt die rasche Inbetriebnahme des Fahrzeugs bei sehr niedrigen Temperaturen dar. Die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten ist zu gering um ausreichend Energie für den Start zur Verfügung zu stellen. Eine Pufferbatterie mit ausreichender Kapazität muss diese Phase überbrücken.

Im Bereich niedriger Leistung (0.1 W-100 W), spielt die Komplexität des Systems und das Volumen eine größere Rolle, so dass hier die Direkt-Brennstoffzelle, besonders die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, vorteilhaft ist. Haupteinsatzgebiete solcher Zellsysteme sind mobile Elektronik, wie Mobiltelefone und Laptops. Auf dem Markt sind bisher keine serienreifen Systeme erhältlich, werden jedoch von einigen Herstellern im Laufe der nächsten Jahre in Aussicht gestellt. Die Wirkungsgrade der Systeme liegen im Bereich um 20 %. Der deutsche Entwickler Smart Fuel Cell/Brunnthal hat bereits eine Serie von Prototypen im Leistungsbereich 25-50 W präsentiert. Gegenüber wiederaufladbaren Sekundärelementen wird eine um den Faktor 2-3 längere Betriebszeit bei gleichem Volumen erreicht. Die Regenerierung durch Austausch des Methanoltankes kann schnell und netzunabhängig erfolgen. Nachteile der Systeme sind der geringe Wirkungsgrad und hohe Kosten für die Edelmetallkatalysatoren (Platin, Ruthenium). Im Leistungsbereich unter 10 W stellen die peripheren Komponenten, wie z. B. Pumpen, für eine weitere Volumen- und Kostenreduktion ein grosses Hindernis dar. Eine verbesserte Aktivierung des Katalysators könnte wesentliche Vorteile bringen.

Mängel bisher bekannter Ausführungen

Die in Bezug auf die Erfindung wichtigsten Mängel bekannter Ausführungen sind

  • – lange Inbetriebnahmezeit bei niedrigen Temperaturen
  • – geringe Toleranz gegenüber Katalysatorgiften wie Kohlenmonoxid (CO), schlechte Regenerierungsfähigkeit (Entgiftung)
  • – niedrige Leistungsdichten bei der Direktverbrennung organischer und anorganischer Brennstoffe, insbesondere von Methanol
  • – hohe Verluste durch Durchtrittspolarisation bei niedrigen Katalysatorbelegungen an den Elektroden
  • – hoher Gewicht- und Volumenverbrauch von Zusatzsystemen zur Reaktandenaufbereitung und Energiepufferung.

Das hier vorgestellte Konzept könnte Fortschritte in mehreren Anwendungsgebieten anstossen, indem es sowohl die CO-Toleranz eines PEMFC-Aggregates herauf setzt und damit die Anforderungen an die Qualität des Reformatgases verringert, als auch die Leistungsdichte von Direkt-Brennstoffzellen verbessert. Ausserdem stellt es eine Lösung für den Start von galvanischen Elementen bei niedrigen Temperaturen dar. In Elektrolysezellen kann die Durchtrittspolarisation verringert und der Abtransport von Reaktionsprodukten verbessert werden.

Durch die gezielte thermische Aktivierung der katalytischen Elektrode von Brennstoffzellen gegenüber Membran und Zellengehäuse erhält man sowohl eine effizientere als auch schnellere Erwärmung. Die effektive Arbeitstemperatur der Zelle kann dadurch über den bisher möglichen Temperaturen liegen. Dadurch erreicht man eine Erhöhung der Leistungsdichte von Zell-Stacks und eine erhöhte CO-Toleranz. Da auch die Edukte und Produkte der Zellreaktion, z.B. Wasser und Alkohole hohe dielektrische Verluste im Mikrowellenbereich haben, kann die Mikrowellenenergie auch zur Verdampfung von überschüssigem Reaktionswasser auf der Elektrode z.B. bei sehr hohen Stromdichten verwendet werden. Um diesen Mehrfachnutzen zu erzielen ist eine elektronische Stacküberwachunng, die die Mikrowellenquelle schaltet, sinnvoll.

Technische Aufgabenstellung

Entwicklung eines kostengünstigen, effizienten Einkoppelungssystems von Mikrowellen (MW) in elektrochemische Zellen zur gezielten Aktivierung einzelner Komponenten, insbesondere der Elektroden. Ziel ist die Verbesserung der Gesamtbilanz der mit diesem Zusatzsystem erweiterten Energiequelle, indem die Leistungsdichte erhöht und/oder die Systemkomplexität/-kosten und die Inbetriebnahmezeit vermindert werden. Eine wichtige Forderung besonders mobiler Energiequellen ist eine volumen- und gewichtsparende Bauweise. Aus diesem Grund ist eine gute Integrationsfähigkeit in elektrochemische Zellen eine weitere wichtige Anforderung.

Technische Lösung der Aufgabenstellung

Um das Verfahren der Mikrowellenerwärmung einer elektrochemischen Zelle unter den in der technischen Aufgabenstellung genannten Anforderungen im Betrieb zu realisieren, wurde ein Konzept für die Einspeisung der Hochfrequenzstrahlung entwickelt. Die Grundidee hierfür ist, die Elektroden der elektrochemischen Zelle als Antennen zur Abstrahlung der Hochfrequenz einzusetzen. Diese bifunktionale Elektrode wird im weiteren als Stromkollektorantenne (SKA) bezeichnet. Das eine solche SKA eine gleichmässige Erwärmung über die gesamte Elektrodenfläche erzielen kann und gleichzeitig kein zusätzliches Volumen und Gewicht verursacht, konnte in einer Simulation (5, 6) bereits für eine sehr einfache SKA-Geometrie (3) gezeigt werden. Die SKA besteht aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und niedrigem Dämpfungsquotienten für die Ausbreitung der Strahlung. Geeignete Materialien sind besonders metallische Leiter, z.B. vergoldetes Kupfer. Die Elektroden der elektrochemischen Zelle müssen aus einem Materialverbund mit ausreichend hohen dielektrischen Verlusten Verlusten bestehen, damit eine Aufheizung möglich ist. Dies trifft für viele Elektrodencomposite zu. Das Aufheizverhalten einer für die Verwendung in der PEMFC typischen Elektrode bestehend aus Platinkatalysator auf Russ und Festelektrolyt ist unten gezeigt (1). Solche Elektroden sind sehr gute Mikrowellenabsorber und können effektiv aufgeheizt werden. Zur Trennung von MW-Strahlung und Gleichstrom an der SKA sind passive elektronische HF-Filter ausreichend.

Für die Einkopplung von Mikrowellenenergie in die SKA können Kopplungssysteme aus Hohlleitern, Parallelleitern, Koaxialleitern und Mikrostreifenleitern (micro stripes) verwendet werden. Besonders effizient ist die Einkopplung von einem Hohlleiter in die Zelle mittels einem Koaxialkopplungsstift (7). Der Hohlleiter kann mit einem Dielektrikum gefüllt werden. Durch die Veränderung der relativen Permittivität des Dielektrikums kann der Abstand zweier Feldmaxima im Hohlleiter verringert werden um bei eng aneinanderliegenden Kopplunsstiften eine gleichmässige Einkopplung zu erreichen. Dieser Abstand liegt bei einer Frequenz von 2.45 GHz im Vakuum oder luftgefüllt bei 6 cm. Bei Verwendung von Silikon als Dielektrikum reduziert sich der Abstand zwischen 2 Maxima auf 2 cm.

Für die Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung sind Quellen aus dem Bereich der Hochfrequenzerzeugung geeignet, wie sie zum Beispiel in der Nachrichten-, Kommunikations-, Radar- und Mikrowellentechnik verwendet werden. Als Hochfrequenzquelle sind prinzipiell alle Mikrowellengenerator-Arten einsetzbar, als praktisch haben sich hauptsächlich das Magnetron und Halbleiteroszillatoren auf Basis von Hochfrequenztransistoren oder Gunn-Dioden erwiesen, da sie einen hohen Wirkungsgrad und einfachen Aufbau haben und für einen weiten Leistungsbereich zur Verfügung stehen.

Die Mikrowellenenergie kann in Pulsen auf die Elektroden abgegeben werden, um kurzzeitige Temperaturspitzen zu erzeugen. Sinnvoll sind solche Temperaturspitzen beispielsweise um Katalysatorgifte wie CO, die an den Pt-Katalysatoren von PEMFC stark adsorbieren, zu desorbieren ohne die Betriebstemperatur dauerhaft über den für eine effiziente Funktion der Brennstoffzelle zulässigen Höchstwert zu heben. Im Aufheizexperiment konnte gezeigt werden, das bei Heizraten von über 200 K/s Temperaturänderungen von mindestens 50 K innerhalb von weniger als 10 s wieder auf ihren Ausgangswert zurückkehren (2).

Aufheizverhalten im Mikrowellenfeld

Der Effekt von Mikrowellen (MW) mit einer Frequenz von 2.45 Ghz auf eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist in 1 und 2 gezeigt. Dabei wurde die Temperatur der katalytischen Elektrode bei unterschiedlicher MW-Feldstärke gemessen. Pulse mit einer Wiederholungsrate von 5 Hz und einer Pulsdauer von 20 ms führen zur Einstellung eines im Rahmen der Auflösung (40 ms) konstanten Temperaturniveaus (Magnetron 1), Pulse mit einer Wiederholungsrate von 0.2 Hz und einer Pulsdauer von 225 ms bewirken starke Temperatursprünge mit Heizraten über 200 K/s (Magnetron 2).

Simulation der Feldstärkeverteilung einer MEA-SKA Anordnung

Hierzu wurde eine planare Antennenform, wie sie in 3 in der Aufsicht zu sehen ist, gewählt. Diese Konstruktion besteht aus elektrisch leitfähigen Streifen, beispielsweise aus Kupfer.

In 4 ist zu erkennen, dass diese in die Gasverteilerschicht integriert ist und auf der Katalysatorfläche aufliegt. Diese Bauform ermöglicht die Einspeisung von Mikrowellenstrahlung auch in dünnen Bauteilen. Die in 3 gezeigte Antennenform ist nur eine von mehrereren möglichen SKA-Geometrien, die beispielhaft gewählt wurde um in der elektromagnetischen Simulation die technische Realisierbarkeit des Verfahrens zu zeigen.

Für die Simulation wurde eine Finite-Differenzen-Software zur Berechnung elektromagnetischer Felder verwendet. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine MW-Einkopplung an der oberen Katalysatorelektrode simuliert und die untere Antenne, wie sie in 4 zu sehen ist, ausgelassen. Als Gasverteiler müssen für MW transparente Materialien, z.B. Quarzwollgewebe (SiO2) verwendet werden. Die Elektrolytmembran und die Katalysatorschicht können MW absorbieren und dadurch Wärme generieren. Der dielektrische Verlust und damit die Fähigkeit sich im MW Feld zu erwärmen ist bei der Katalysatorschicht um Größenordnungen höher als bei einer mit Wasser gequollenen Elektrolytmembran. Der metallische Leiter und das umgebende Gehäuse sind aus einem guten elektrischen Leiter (Metall oder Graphit), reflektieren die MW-Strahlung und sind näherungsweise verlustfrei. Die Einspeisung erfolgt über einen streifenförmigen Koaxialleiter bei einer Frequenz von 2.45 GHz.

Die 5 und 6 zeigen Feldverteilungen und flächenbezogene absorbierte MW-Leistung in verschieden Schichten der Brennstoffzelle.

Die Feldverteilung in der oberen Katalysatorschicht direkt unterhalb der Antenne zeigt, dass sich Mikrowellen mit dieser Anordnung über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilen lassen, jedoch vor allem an der Stelle der Einkopplung und im Zentrum der Antenne starke Feldüberhöhungen vorliegen. Die Leistungsdichte (als Wärme dissipierte Leistung) zeigt dasselbe Bild, da die absorbierte Leistung proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke E2 ist.

In der Elektrolytmembran ist nur an der Einkoppelstelle und im Zentrum der Antenne eine Absorption von Mikrowellen festzustellen. Grund hierfür ist der vergleichsweise geringe dielektrische Verlust der verwendeten Elektrolytmembran. Das hat zur Folge, dass Mikrowellenstrahlung durch die Membran auf die untere Katalysatorschicht gelangt und hier ebenfalls absorbiert werden kann. Das Muster der Leistungsdichte ist dem der oberen Katalysatorschicht sehr ähnlich.

Die Simulation zeigt, dass einen flächige Verteilung der Mikrowellen in einer sehr dünnen Anordnung möglich ist. Um eine gleichmäßigere Feldverteilung zu erreichen ist eine Optimierung der Antennenform nötig. Hierbei kann die Verwendung der zweiten Antenne an der unteren Katalysatorschicht helfen. Dreht man diese um 90° oder ordnet sie versetzt an, so ist aus der Summe der beiden Felder bereits eine wesentlich homogenere Verteilung zu erwarten.

Die Anforderung, eine flächige gleichmäßige Bestrahlung von dünnen Systemen mit Mikrowellen konnte bereits mit einer einfachen Geometrie erfüllt werden. In der folgenden Simulation soll gezeigt werden, dass die Anordnung auch effizient auf einen kompletten Zell-Stack übertragen werden kann.

Zur Erzeugung von Mikrowellen der Frequenz 2.45 GHz lässt sich ein Magnetron einsetzen. Die Standardübertragungsleitung ist in der Regel ein Luft gefüllter Hohlleiter. Hierbei ist aber eine Mindestbreite von 86 mm notwenig um die Strahlung ungedämpft zu leiten und es breitet sich ein Wellenmuster mit einer Wellenlänge &lgr; von ca. 12 cm aus. Um aus solch einem System Mikrowellen auszukoppeln, können in Abständen von &lgr;/2 Koaxialstifte eingebracht werden. Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstacks, in dem die Abstände der einzelnen Zellen im mm-Bereich liegen, ist ein Abstand von 6 cm jedoch zu groß. Füllt man den Hohlleiter mit einem für MW transparenten Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, so verringert sich die Wellenlänge und die Anzahl von Auskoppelstiften pro Längeneinheit kann erhöht werden.

7 zeigt die Simulation eines solchen Hohlleiters. Über die Länge des Hohlleiters bilden sich ca. 4¾ Maxima aus, gegenüber einem ungefüllten Hohlleiter mit ca. 1¾ Maxima bei 2.45 GHz. Ein weiterer Vorteil eines mit Dielektrikum gefüllten Hohlleiters ist, dass der Leiter-Querschnitt auf 1/10 der Querschnittsfläche verringert werden kann.

Neuigkeitsvorsprung, gewerbliche Schutzrechte

Eine Patent- und Literaturrecherche ergab, dass Veröffentlichungen zur Aufbereitung von Brennstoffzellengasen der Brennstoffzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades vorhanden sind [1-3].

Das Patent von Sharivker et al. [2,3] befasst sich mit der Aufbereitung von Brennstoffzellengasen ausserhalb und innerhalb der Brennstoffzelle zur Herabsetzung der Durchtrittspolarisation. Es wird keine Energiebilanz des Gesamtsystems angegeben, so das keine Angabe über die effektive Verbesserung des Wirkungsgrades möglich ist. Die Aktivierung der Gase erfolge auf thermische Art durch Bildung energetisch angeregter und ionisierter Spezies wie Wasserstoff-, Sauerstoff- und Alkyl-Radikalen sowie Protonen in Plasmen und Lichtbögenentladungen an starken Mikrowellensuszeptoren (Materialien mit hohem dielektrischen Verlust), besonders Russ.

Im Unterschied dazu befasst sich die eigene Entwicklung mit Bedingungen, bei denen es nicht zur Ausbildung von Plasmen und Entladungen und somit nicht zur Aktivierung derselben auf genannte Weise kommen kann. Nach Ansicht der Verfasser führen Bedingungen, bei denen die Durchschlagsfestigkeit der Materialien überschritten wird langfristig zur Zerstörung der Elektroden.

Ziel ist eine thermische Aktivierung der Zellkomponenten durch Abstrahlung innerhalb der Zelle. Weiterhin ist im Gegensatz zum oben genannten Patent eine integrierte Lösung entwickelt worden, d.h. die Mikrowellen abstrahlende Einheit befindet sich in der Zelle und kann aus Gründen der Gewichts- und Volumenersparnis mit dem Stromkollektor kombiniert werden (SKA). Dadurch ist die Anordnung besonders für Systeme die aus einer grösseren Anzahl von Einzelzellen (Zellstapel, Stacks) bestehen, geeignet.

Ausserdem existieren wissenschaftliche Publikationen, die sich mit dem Einfluss von Mikrowellen auf die Kinetik von elektrochemischen Reaktionen beschäftigen. Compton et al. [4] untersuchten beispielsweise den Einfluss lokaler Überhitzung an Mikroelektroden im Mikrowellenfeld.

Den Verfassern sind darüberhinaus keine weiteren Veröffentlichungen zum Thema ihrer Erfindung bekannt. Insbesondere wurde der Effekt von Mikrowellen auf die Funktion von Elektroden in galvanischen Elementen und Elektrolysezellen bisher nicht untersucht. Dementsprechend bestehen nach Wissen der Verfasser keine weiteren durch die eigene Erfindung berührten Schutzrechte dritter.

Anwendungsbeispiel 1

sDie elektrische Leistung des beschriebenen Anwendungsbeispiels liegt im Bereich von Brennstoffzellen-Stacks, wie sie z.B. in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen (1-100 kW). 8 zeigt ein Brennstoffzellen-Aggregat mit integrierten SKA-Elektroden.

Ein Magnetron mit einer Ausgangsleistung von 10 bis 1000 W erzeugt die MW-Energie für den kompletten Stack, die über den gefüllten Hohlleiter transportiert wird. In dem Hohlleiter befinden sich in regelmäßigen Abständen streifenförmige Koppelstifte, die die MW-Strahlung in die Brennstoffzelle übertragen. Hierbei sind zwei Antennen pro Zelle vorgesehen. Diese agieren ebenfalls als Stromkollektoren für die Reaktion und sind in Serie verschaltet (Anode (Zelle 1) – Kathode (Zelle 2) usw.). An den beiden äußersten Elektroden wird die Gleichstromleistung für den elektrischen Verbraucher abgegriffen. Zur Trennung von MW-Strahlung und Gleichstrom sind passive elektronische HF-Filter ausreichend. Um periodisch MW-Strahlung an die Zellen übertragen zu können, ist eine Feldanpassung vorgesehen, die kontinuierlich die Feldmaxima verschiebt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Magnetron nicht gepulst werden muss und einen höheren Wirkungsgrad erreicht. An den Koppelstellen, an denen sich ein Feldmaximum befindet, werden für eine definiertes Zeitintervall MW eingestrahlt, bis sich durch die Feldanpassung ein Minimum über dem Koppelstift befindet. Hierdurch erreicht man eine pulsartige Einkopplung in die einzelnen Zellen ohne die Quelle pulsen zu müssen.

Die Stärke einer einzelnen Zelle bisher am Markt befindlicher Stacks beträgt etwa 4-5 mm; etwa 200 &mgr;m werden für die Kollektorelektroden beansprucht. Der Ersatz dieser herkömmlichen Elektroden durch die neue SKA verursacht also keine Vergrösserung der Zellstärke.

Zur Energiebilanz der Anordnung:

Die von dem Brennstoffzellenaggregat abgegebene Leistung hängt von dem Brennstoff ab. Im Methanol/Luft-Betrieb wird eine Leistung von 0.25 W/cm2 erzielt, im Wasserstoff/Luft-Betrieb eine Leistung von 0.75 W/cm2.

Dauerbetrieb:

Die benötigte Pulsenergie beträgt 10 mJ/cm2. Wird ein Wirkungsgrad von 50 % für das Magnetron und ein Wirkungsgrad von 50 % für die Einkopplung veranschlagt, ist die durchschnittlich benötigte Leistung 4 mW/cm2 bei einer Pulsfrequenz von 100 mHz. Der Anteil der zusätzlich benötigten Energie im Vergleich zur erzeugten Energie liegt also nur zwischen 0.5-1.6 %.

Start-Up:

Es werden 50 mW/cm2 benötigt, um die katalytische Schicht im Bruchteil einer Sekunde von Umgebungstemperatur auf 100 °C zu bringen. Der Einfluss auf die Gesamtenergiebilanz ist bei Betriebszeiten von mehr als einer Minute bereits vernachlässigbar gering.

Unter Verwendung eines Magnetrons ist die Technologie kostengünstig und effizient. Die Kosten für eine kommerziell erhältliche 500 bis 900 W Einheit betragen weniger als 50 EUR. Der Wirkungsgrad eines solchen Magnetrons liegt bei > 50 %.

Weitere Einsparungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Reformatgasaufbereitung und Reinigung durch die Verbesserung der CO-Toleranz.

Durch die Steigerung des Wirkungsgrades kann mit kleineren Brennstoffzellenaggregaten gearbeitet werden.

Durch die schnellere Start-Up-Zeit ist die Fahrbereitschaft bei niedrigen Temperaturen wesentlich schneller erreicht und eine zusätzliche Bordbatterie kann kleiner dimensioniert werden.

Anwendungsbeispiel 2

Auch im Kleinstleistungsbereich (1 mW bis 10 W) galvanischer Elemente läßt sich die Anordnung implementieren. Dieser Leistungsbereich ist in der Kommunikations- und Computertechnik zu finden. Als Generatoren der elektromagnetischen Strahlung finden Halbleiterbauteile Anwendung (Halbleiteroszillatoren auf Basis von Hochfrequenztransistoren oder Gunn-Dioden).

9 zeigt ein Konzept für die Aktivierung einer Methanol-Brennstoffzelleneinheit in einem Mobiltelefon mit Hochfrequenz im Mikrowellenbereich. Im Unterschied zu obigen Beispiel wird hier eine bereits vorhandene HF-Quelle verwendet. Ausserdem wird kein Hohlleiter zur Kopplung verwendet, sondern eine Koaxilkopplung oder eine Mikrostreifenleitung.

Moderne Mobiltelefone senden im Mikrowellenfrequenzbereich zwischen 900 und 2400 MHz, der auch für die Aktivierungsmethode geeignet ist. Die Anforderungen der Mikrowelleneinheit an die Frequenzstabilität der HF-Quellen ist wesentlich geringer als die der Sendeeinheit. In der Regel verfügen solche Telefone über 2 oder 3 Frequenzgeneratoren mit unterschiedlicher Ausgangsfrequenz.

Literaturquellen
  • [1] O. Katsuya, N. Toru, H. Akira, Fuel Cell Power Generation System and its Starting Method, Publ.-# 2001 2103 49 A, Japanese Patent Office, Date of Publ. 03.08.2001.
  • [2] V. Sharivker, T. Honeycutt, S. Sharivker, Microwave Activation of Fuel Cell Gases, Publ.-# US 2003/0027021 A1, United States Patent Application, Date of Publ. 06.02.2003.
  • [3] V. Sharivker, T. Honeycutt, S. Sharivker, Microwave Activation of Fuel Cell Gases, Publ.-# WO 02/091505 A2, International Application, Date of Publ. 14.11.2002.
  • [4] R. G. Compton, B. A. Coles and F. Marken, Microwave activation of electrochemical processes at microelectrodes Chem. Commun., 1998, 2595-2596.

Anspruch[de]
  1. Elektrochemische Zellen, bestehend aus einer Anodenelektrode, einem festen oder flüssigen Elektrolyten und einer Kathodenelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der galvanischen Zelle ein Hochfrequenzfeld der Frequenz 0,3-300 GHz ausbreitet und dass die galvanische Zelle eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder ein Superkondensator sein kann.
  2. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitung des Hochfrequenzfeldes mittels geeigneter Antennen räumlich kontrolliert wird
  3. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld jeweils eine Elektrode erfasst
  4. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld nur den Elektrolyten erfasst
  5. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld eine Elektrode und den Elektrolyten erfasst
  6. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld einen Katalysator auf den Elektroden erfasst
  7. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld einen Stoff im Elektrolyten erfasst
  8. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung des Hochfrequenzfeldes eine oder mehrere Antennen in Mikrostreifentechnik verwendet werden
  9. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung des Hochfrequenzfeldes eine oder mehrere Patch-Antennen verwendet werden
  10. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung des Hochfrequenzfeldes eine oder mehrere Coaxialantennen verwendet werden
  11. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung des Hochfrequenzfeldes Kombinationen verschiedener Antennen verwendet werden
  12. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Antennen auch gleichzeitig als Stromkollektor mindestens einer der beiden Elektroden dienen kann. In diesem Fall kann ein Filter für die Entkopplung von niederfrequenten und hochfrequenten Anteilen verwendet werden.
  13. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lokal hohe Aufheizraten im Hochfrequenzfeld erreicht werden können.
  14. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Zelle durch Hochfrequenzerwärmung desorbiert, katalytisch aktiviert, durchmischt und aufgelöst werden können.
  15. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lokal hohe Aufheizraten im Hochfrequenzfeld erreicht werden können.
  16. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Antennenmaterialien Materialien hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringer Hochfrequenzdämpfung verwendet werden.
  17. Elektrochemische Zellen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrodenanordnungen mittlerer elektrischer Leitfähigkeit und mittleren dielektrischen Verlustes eingesetzt werden.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com