DE10319890B4

DE10319890B4 - Chemoelektrischer Wandler und chemoelektrisches Wandlersystem

Info

Publication number: DE10319890B4
Application number: DE10319890.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Radebold Helmut Dipl-Ing De; Radebold Irmgard De; Radebold Reinhart Dr De; Radebold Walter Dr De
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: DE10319890A1

Abstract

Chemoelektrischer Wandler mit Elektroden, der aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger und Sauerstoff als Edukten über Reaktionszentren und sekundäre Donoren und über Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln kann, wobei als Elektroden zwei poröse, Elektronen und Protonen leitende Festkörper (7, 8) vorgesehen sind, wobei in dem Volumen des ersten Festkörpers (7) die Reaktionszentren (RZA1, RZA2) und die sekundären Akzeptoren (A) und in dem Volumen des zweiten Festkörpers (8) die Reaktionszentren (RZD1, RZD2) und die sekundären Donoren (D) als feste Verbindungen (24) vorliegen und der erste und der zweite Festkörper (7, 8) durch eine protonenleitende Membran (6) getrennt in Kontakt stehen gemäß deutschem Patent 102 19 585 C1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörper (7, 8) eine aus Partikeln (22) gebildete elektronenleitende Matrix und eine aus Partikeln (23) gebildete, versetzt zur elektronenleitenden Matrix angeordnete, protonenleitenden Matrix aufweist und die Reaktionszentren (RZA1, RZA2) und die sekundären Akzeptoren (A) und die Reaktionszentren (RZD1, RZD2) und die sekundären Donoren (D) als Komplexe (24) in den Matrizen angeordnet sind und dass die Partikel (22, 23) und die Komplexe (24) geordnet in dem mindestens einen Festkörper (7, 8) vorliegen, wobei die Komplexe (24) kapselförmig, insbesondere kugelförmig ausgebildet sind und von einer durchlässigen Schicht Partikel (22, 23) umgeben sind und wobei die Zwischenräume zwischen den mit Partikeln (22, 23) beschichteten kapselförmigen Komplexen (24) ein mikroskopisches Kapillarsystem ausbilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft chemoelektrische Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und chemoelektrische Wandlersysteme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 nach dem deutschen Hauptpatent 102 19 585 C1 .
Die wesentlichen Begriffe werden im Hauptpatent erläutert und werden über 1 und 2 erklärt. Im Hauptpatent ist weiterhin ein Wandler mit zwei als poröse Festkörper ausgebildeten Elektroden beschrieben, die kapillarisch für flüssige Edukte wirken. Der zuverlässige und definierte An- und Abtransport von Flüssigkeiten zu den Reaktionszentren ist wesentlich für einen effizienten Betrieb des Wandlers. Als weiterer Stand der Technik wurden die Druckschriften DE 694 18627 T2 und DE 250 8853 A1 ermittelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen chemoelektrischen Wandler und ein chemoelektrisches Wandlersystem anzugeben, bei dem eine verbesserte Versorgung der Reaktionszentren mit Edukten erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch einen chemoelektrischen Wandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß kann ein chemoelektrischer Wandler mit Elektroden aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger, insbesondere wässriger Lösung von Glucose oder Hydrazin, und Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid als Edukten entweder über Reaktionszentren und sekundäre Donoren oder über Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln. Dabei sind als Elektroden zwei poröse, Elektronen und Protonen leitende Festkörper vorgesehen, wobei in dem Volumen des ersten Festkörpers die Reaktionszentren und die sekundären Akzeptoren und in dem Volumen des zweiten Festkörpers die Reaktionszentren und die sekundären Donoren als feste Verbindungen vorliegen und der erste und der zweite Festkörper durch eine protonenleitende Membran getrennt in Kontakt stehen gemäß deutschem Patent 102 19 585 C1 . Erfindungsgemäß weist mindestens ein Festkörper eine aus Partikeln gebildete elektronenleitende Matrix und eine aus Partikeln gebildete, versetzt zur elektronenleitenden Matrix angeordnete, protonenleitenden Matrix auf und die Reaktionszentren und die sekundären Akzeptoren bzw. die Reaktionszentren und die sekundären Donoren sind als Komplexe in den Matrizen angeordnet.
Durch die Anordnung in Matrizenform können die Edukte einfach zu den Reaktionszentren gelangen und über die vergrößerte Oberfläche mit diesen in Kontakt treten.
Erfindungsgemäß liegen die Partikel und die Komplexe geordnet in dem mindestens einen Festkörper vor, wobei die Komplexe kapselförmig, insbesondere kugelförmig ausgebildet sind und von einer durchlässigen Schicht Partikel umgeben sind und wobei die Zwischenräume zwischen den mit Partikeln beschichteten kapselförmigen Komplexen ein mikroskopisches Kapillarsystem ausbilden. Es wird so eine große Reaktionsoberfläche bei gleichzeitiger definierter kapillarischer Wirkung erreicht.
Vorteilhaft ist dabei, die Partikel ebenfalls kapselförmig, insbesondere kugelförmig auszubilden, wobei das Volumen der kapselförmigen Partikel wesentlich geringer ist, als das der kapselförmigen Komplexe. Damit wird quasi ein Film aus Partikeln um die Reaktionszentren gelegt. Durch eine Anordnung in einem Raster kann so eine weitere Kontrolle über das kapillarische Verhalten gewonnen werden.
Neben der Mikrokapillarität können makroskopische, kapillaraktive separate Leitungsbahnen mit der Funktion von Dochten vorgesehen sein, und zwar sowohl zur Verteilung flüssiger Edukte als auch zur gezielten Abfuhr überschüssiger Flüssigkeit. Mittels einer Sprühvorrichtung sind Edukte und/oder Wasser direkt auf die Leitungsbahnen aufbringbar. Dadurch, dass makroskopische, kapillaraktive Leitungsbahnen in den Elektroden zum Weitertransport und zur Verteilung der flüssigen Edukte vorgesehen sind, kann auch eine direkte Injektion der flüssigen Edukte an wenigen ausgezeichneten Stellen dieser Leitungsbahnen erfolgen.
Die gemäß Hauptpatent als Festkörper ausgeführten Elektroden unterschiedlichen Vorzeichens müssen chemisch gesehen nicht bei gleichen pH-Werten arbeiten. So kann beispielsweise die positive Elektrode mit ihren Akzeptoren im neutralen oder schwach sauren Bereich arbeiten, die negative Elektrode mit ihren Donoren im stark basischen Bereich. Das ändert nichts an der Tatsache, dass letztlich Protonen aus der Grenzschicht der negativen zur Grenzschicht der positiven Elektrode fließen müssen, wobei, abhängig von den gewählten Bedingungen, auch eine protonische Löcherleitung beteiligt sein kann.
Zur Kontaktierung der Elektroden vorteilhaft ist der Einsatz einer chemisch inerten Graphitfolie, die beispielsweise gelocht oder als Gitter gestanzt zur Kontaktierung verwendet wird.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein chemoelektrisches Wandlersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Demgemäss kann ein chemoelektrisches Wandlersystem aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger, insbesondere wässriger Lösung von Glucose, und Sauerstoff als Edukten über Reaktionszentren und sekundäre Donoren und/oder Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln. Dabei ist mindestens einer der vorstehend beschriebenen chemoelektrischen Wandler vorgesehen, wobei dessen protonenleitende Membran zwischen den als poröse, Elektronen und Protonen leitende Festkörper ausgebildete Elektroden angeordnet ist und die Elektroden jeweils auf ihren Außenseiten über Kontakte kontaktiert sind gemäß deutschem Patent 102 19 585 . Erfindungsgemäß sind die mit den Kontakten kontaktierten Elektroden zwischen zwei Platinen angeordnet und die Platinen sind vertikal angeordnet.
Durch die vertikale Anordnung der Platinen kann ein einfacher Abtransport der Reaktionsprodukte erreicht werden.
Eine einfache Versorgung mit Edukten wird dadurch erreicht, dass die an der negativen Elektrode angeordnete Platine Öffnungen zur Injektion von flüssigen Edukten aufweist.
Luft und insbesondere Sauerstoff kann der positiven Elektrode zugeführt werden, indem zwischen der an der positiven Elektrode angeordneten Platine und der positiven Elektrode Kanäle zur Leitung von Gasen, insbesondere von Luft, vorgesehen sind. Auch eine zwischen der positiven Elektrode und den Kontakten angeordnete hydrophobierte Kohlematte unterstützt dies.
Auf diese Weise erhält man eine wirtschaftlich vorteilhafte und fertigungstechnisch einfachere und kostengünstigere „Sparversionen” eines Moduls des chemoelektrischen Wandlers. In diesem Fall werden die zusätzlichen Mittel zur Kontrolle der elektrochemischen Wandlung und/oder Mittel zur Auskopplung der elektrischen Leistung und/oder Mittel zur Einspeisung elektrischer Energie aus dem ”Sandwich” entnommen und an ein Ende des Moduls verlagert. Die protonenleitenden Schichten werden zusammengefaßt oder aber auf eine einzige protonenleitende Membran reduziert. In diesem Fall werden die Einzelelektroden gleichen Vorzeichens auf je einer Seite des Moduls zusammengefaßt. Wenn die protonenleitenden Schichten entfallen, müssen ihre etwa vorhandenen Redoxsysteme in die positive Elektrode integriert werden; die Sauerstoff atmenden Elektroden werden dabei mit einer Schicht der bekannten hydrophobierten Kohlematten überzogen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnungen weiter erläutert. Figuren des Hauptpatents und deren Beschreibung wurden dabei zum besseren Verständnis der Erfindung beibehalten. Die Neuerungen gegenüber dem Hauptpatent sind in den 4b und 5 enthalten. Es zeigen:
1 Schematische Darstellung eines chemoelektrischen Wandlers nach dem Stand der Technik,
2 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie aus nachwachsender Biomasse gemäß dem Stand der Technik,
3 schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen chemoelektrischen Wandlersystems nach dem Hauptpatent,
4a schematische, nicht maßstäbliche Schnittdarstellung durch einen mikroporösen, ungeordneten Festkörper eines erfindungsgemäßen chemoelektrischen Wandlers nach dem Hauptpatent,
4b schematische, nicht maßstäbliche Schnittdarstellung durch einen mikroporösen, geordneten Festkörper eines erfindungsgemäßen chemoelektrischen Wandlers nach der vorliegenden Anmeldung,
5 schematische Schnittdarstellung einer weiteren, kostengünstigen „Sparversion” eines Moduls des erfindungsgemäßen chemoelektrischen Wandlersystems, und
6 schematische Darstellung einer induktiven Kopplung mehrerer Elektrodenpaare über einen Hochfrequenztransformator.
3 zeigt eine nicht maßstabsgerechte, schematisierte Explosionszeichnung der Erfindung, bezogen auf den chemoelektrischen Teil eines chemoelektrischen Wandlersystems gemäß Hauptpatent.
Die einzelnen Elektroden des chemoelektrischen Wandlersystems sind als streifenförmige, poröse und kapillarisch für Edukte wirkende Festkörper 7, 8 ausgeführt. Die Elektroden wirken auch als Speicher für elektrische Energie. Die Festkörper 7, 8 sind einerseits durch die Einbindung von als feste Verbindungen vorliegende Reaktionszentren und sekundären Donoren in die poröse Struktur als negative Elektroden-Speicherstruktur 7 und andererseits durch die Einbindung von Reaktionszentren und sekundären Akzeptoren in die poröse Struktur als positive Elektroden-Speicherstruktur 8 ausgebildet. Auf einer ebenen Schicht 5 aus protonenleitendem Material liegt eine ebenfalls protonenleitende Membran 6 als Trennschicht zu einer Anordnung aus streifenförmigen, elektronisch über eine Trennfuge voneinander getrennten negativen und positiven Elektroden–Speicherstrukturen 7, 8, die über eine Kontaktierung 9 in Form von Schutz-, Stütz- und Stromsammel-Gitter abwechselnd mit negativen und positiven elektronenleitenden Stromleitungen 10 eines zweisträngigen Leistungsbusses 11 verbunden, also insgesamt parallel geschaltet sind Die Versorgung mit flüssigen Überträgern von Wasserstoff und Sauerstoff geschieht über einen Druckerkopf 12, 13.
Die Elektroden-Speicherstrukturen 7, 8 sind durch poröse, kapillaraktive, elektronisch und protonisch leitende Festkörper ausgebildet, in den das Schutz-, Stütz- und Stromsammel-Gitter vorteilhaft mit präparierter Oberfläche, integriert oder aufgesetzt wird. Der jeweilige Festkörper 7, 8 enthält entweder Reaktionszentren RZD1 und RZD2 oder RZA1 und RZA2 gemäß 2 und der dortigen Beschreibung des Standes der Technik, einschließlich des Redox-Systems der sekundären Donoren D oder sekundären Akzeptoren A, nun allerdings nicht in gelöster, fluider Form, sondern als feste Verbindungen.
Die inneren Grenzflächen zum Aufbau der potentialbestimmenden Doppelschichten sind, ähnlich wie bei Aktivkohle, sehr groß. Da die poröse Festkörperstruktur, etwa durch Zumischen von Graphit oder Ruß, auch elektronenleitend ist, weil eine elektronenleitende Matrix ausgebildet wird, können die in die poröse Festkörperstruktur integrierten sekundären Donoren D Elektronen über das Schutz-, Stütz- und Stromsammel-Gitter an den Leistungsbus 11 abgeben und die sekundären Akzeptoren A Elektronen über den Leistungsbus 11 erhalten.
Zwischen den Elektroden 7, 8 untereinander und mit der protonenleitenden Schicht 5 findet ein Wärmetransfer statt, bei dem die entstehenden thermischen Energien untereinander ausgetauscht werden können. Die Struktur transferiert so intern Wärme auf der Temperatur der Struktur (Anergie). Beispielsweise wird Anergie bei der chemoelektrischen Oxidation der 24 H aus Glucose freigesetzt, etwa in gleicher Höhe wie die Abspaltung von jeweils 24 H aus Glucose erfordert. Damit findet ein steter Wärmefluss zwischen den Elektroden statt.
4a ist eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung einer der mikroporösen ungeordneten, kapillaraktiven Festkörper, die die Elektroden-Speicherstrukturen ausbilden gemäß Hauptpatent. Sie zeigt die aus den Partikeln 22 gebildete elektronenleitende Matrix und die Partikel 23 der korrespondierenden, versetzt dazu angeordneten protonenleitenden Matrix. Weiterhin sind die Komplexe 24, zu denen im Falle einer negativen Elektroden-Speicherstruktur die Reaktionszentren RZD1, RZD2 und Donoren D und im Falle einer positiven Elektroden-Speicherstruktur die Reaktionszentren RZA1, RZA2 und Akzeptoren A zusammengefasst sind, zu sehen. Die Komplexe 24 liegen dabei als feste Verbindungen im porösen Festkörper vor. Die Komplexe 24 können aber auch in einer gelartigen Matrix vorliegen.
Die zum Aufbau der Doppelschichten erforderlichen Grenzflächen 21 entstehen zwischen den Partikeln 22 der elektronenleitenden Matrix und den Komplexen 24. Die Zwischenräume zwischen den verschiedenen Partikeln 22, 23 und den Komplexen 24 bilden das mikroskopische Kapillarsystem aus. In dieser Darstellung sind die kapillaraktiven makroskopischen Leitungsbahnen fortgelassen.
4b ist eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung eines mikroporösen, geordneten, kapillaraktiven Festkörpers in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Elektroden-Speicherstrukturen verwendet werden. Sie zeigt elektronisch und protonisch leitfähige, durchlässige mikroskopische Kapseln, in denen die Reaktionszentren RZD1, RZD2 und Donoren D im Falle einer negativen Speicherstruktur 7 oder Reaktionszentren RZA1, RZA2 und Akzeptoren A im Falle einer positiven Elektroden-Speicherstruktur 8 eingeschlossen sind. Die Komplexe 24 liegen dabei als feste Verbindungen vor. Die Kapseln werden aus elektronenleitenden, sehr viel kleineren ebenfalls mehr oder weniger kugelförmigen Partikeln 22, beispielsweise aus Kohlenstoff gebildet, die den mehr oder weniger kugelförmigen Komplex 24 in einer dünnen, kristallin wirkenden Schicht umgeben. In den Hohlräumen zwischen diesen Partikeln befindet sich der Protonenleiter 23. Diese Kapseln sind in geordneten Lagen angeordnet werden und stehen in elektronischem Kontakt. Die Zwickel zwischen den Kapseln bilden das mikroskopische Kapillarsystem. Wie auch in 4a sind die makroskopischen kapillaraktiven Leitungsbahnen nicht gezeigt.
Die Abfuhr der Reaktionsprodukte CO₂ oder N₂ geschieht durch die Kanäle des Kapillarsystems ebenso wie die Abfuhr des H₂O einschließlich der zur Lösung der Glucose oder zur Verdünnung des Hydrazins verwendeten (zusätzlichen) H₂O-Anteile in gasförmiger Phase: Dieses Wasser, das sich zunächst in flüssiger Form innerhalb der porösen, kapillaraktiven Elektroden-Speicherstrukturen 7, 8 befindet, wird durch die Summe der Verluste der chemoelektrischen Wandlung in Form von Wärme auf der Temperatur der Elektroden-Speicherstruktur 7, 8 verdampft, vorzugsweise an quasi kristallinen Bereichen oder Mikrorauhigkeiten, die als Keim zur Verdampfung wirken. Sollte Flüssigkeit im Überschuss vorhanden sein, die nicht durch Verdampfung entweichen kann, treten die makroskopischen kapillaraktiven Leitungsbahnen zur Abfuhr in Funktion. Ein fast isothermer Abtransport der Verlustwärme aus den mikroporösen Elektroden-Speicherstruktur 7, 8 in die sie umgebende Atmosphäre ist möglich, wobei anschließend die Verlustwärme der umgebenden Atmosphäre durch Kondensation des Wasserdampfes an entsprechend gekühlten Flächen wieder entzogen wird.
Um den Durchsatz an Edukten und Produkten durch die porösen, kapillaraktiven Elektroden-Speicherstrukturen 7, 8 zu beschleunigen, um den Auf- und Abbau der Doppelschichten zu beschleunigen, werden die Elektroden-Speicherstruktur 7, 8 durch einen hier nicht dargestellten Ultraschall-Sender in hochfrequente mechanische Schwingungen versetzt.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren, kostengünstigen „Sparversion” eines Moduls des chemoelektrischen Wandlersystems gemäß der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung. Dieser Modul besteht im Prinzip aus zwei Teilen, einem ersten, in der Zeichnung im oberen Bereich gezeigten Teil der chemoelektrischen Wandlung und einem zweiten, in der Zeichnung im unteren Bereich angeordneten Teil, der die gesamten mikroelektronischen Komponenten und die Leistungselektronik 18, 19 umfasst. Der chemoelektrische Teil des Moduls wird von zwei Platinen 29 eingefasst, die über Abstandshalter 28 miteinander starr verbunden sind. Der Aufbau ist nach den vorher beschriebenen Details leicht zu verstehen. Die Elektroden-Speicherstrukturen 7 und 8 stehen sich gegenüber und sind lediglich durch die protonenleitende Membran 6 elektronisch voneinander isoliert. Die positive Elektrode 8 ist mit einer der bekannten hydrophobierten Kohlematten 25 bedeckt. Die Kontaktierung 9 geschieht durch eine Graphitfolie oder eine andere Ableitung, in die Kanäle 27 zur Leitung von Luft oder Luft mit angereichertem O₂-Anteil eingestanzt oder eingeformt sind.
Die negative Elektroden-Speicherstruktur 7 ist ebenfalls mit einer Graphitfolie oder einer anderen Ableitung versehen. In die Ableitung sind Kanäle 26 eingebracht, die sich durch die Platine 29 fortsetzen, notwendig, um den flüssigen Wasserstoffüberträger einzusprühen oder zu injizieren.
Dadurch, dass Luft oder Luft mit angereichertem O₂-Gehalt unter Druck an die positive Elektrode eingebracht werden kann, lassen sich die Elektroden-Speicherstrukturen gegen die Ableitungen 9 und die Membran 6 und gegeneinander pressen, so dass die Kontakte gesichert werden. Im Übrigen ist erreicht, dass Sauerstoff nicht mit den Donoren in Verbindung kommt. Der zur Anreicherung der Luft mit O₂ notwendige Druckaufbau in einem externen, bekannten Druckwechsel-Automaten zum N₂-Entzug über spezielle Kohlezubereitungen wird in den beschriebenen Modulen nutzbringend verwendet.
Um zu einem Wandlersystem mit höherer Normleistung zu gelangen werden, wie bereits angedeutet, je nach Anforderung an das System mehrere der im vorhergehenden beschriebenen Module über Steckverbindungen parallel sowohl auf eine gemeinsame zwei-, drei- oder mehrphasige Sammelschiene als auch auf einen gemeinsamen Datenbus zwecks Kontrolle durch das übergeordnete intelligente Zentrum des chemoelektrischen Wandlersystems geschaltet. Es ist dabei – abhängig von der Anzahl der parallelen Module – nicht erforderlich, dass jede Platine ihr eigenes Druckersystem nebst Reservoir hat; es sind Anordnungen vorstellbar, in denen ein Druckersystem zwischen mehreren ebenen Platinen als Modulen wechselt oder in dem Zwischenraum zwischen spiralförmig angeordneten, leicht gekrümmten Platinen zirkuliert. In letzterem Fall kann die Fläche je unabhängiger Platine als Modul bei gleicher Höhe in der Länge zu vergrößert werden, um bei gleicher Peripherie die spezifische Leistung je Platine zu erhöhen.
Die Gesamtheit der Module ist von einem hier nicht dargestellten Behälter umschlossen, so dass sich im Inneren die bereits erwähnte, eigene kontrollierte Atmosphäre aufbauen kann. Stickstoff, Wasserdampf und CO₂ befinden sich in einem Fließgleichgewicht, wobei je nach Anordnung Sauerstoff zugegeben werden kann. Um insbesondere die Zufuhr und Diffusion von Sauerstoff in die mikroporösen Strukturen und von CO₂ aus den Strukturen zu forcieren ist eine periodische oder zeitweise Änderung des Druckes der inneren Atmosphäre (wie bei der Lungenatmung) zweckmäßig. Der Mittelwert des Druckes der internen Atmosphäre unterscheidet sich dabei gemäß der Erfindung nur geringfügig vom Druck der umgebenden Atmosphäre.
Der Behälter enthält die für den Betrieb des modularen chemoelektrischen Wandlersystems erforderlichen Durchführungen zum Transfer von Flüssigkeiten und Gasen, von elektrischer Energie und Daten sowie von außen gekühlte Flächen zur Wärmeübertragung nach außen durch innenseitige Kondensation.
6 zeigt schematisch das Prinzip einer induktiven Leistungsauskopplung für die „Sparversion”. Je ein Paar Elektroden 7, 8 sind über eine Induktivität 30 kurzgeschlossen und der so entstehende Stromkreis wird durch einen Transistor 31, insbesondere einen MOSFET, hochfrequent geschaltet. Die Hochfrequenz kann dabei beispielsweise im Bereich von 50–70 kHz liegen. Die zwischengeschaltete Induktivität 30 bildet gleichzeitig eine Primärwicklung eines Hochfrequenztransformators aus, wobei die Induktivitäten 30 mehrerer Elektrodenpaare 7, 8 so die gesamte Primärwicklung des Hochfrequenztransformators ausbilden. Die Kopplung der einzelnen Elektrodenpaare 7, 8 geschieht über den magnetischen Fluss des Transformatorkerns, der in der Sekundärwicklung 32 des Hochfrequenztrafos in hochgespannte Impulse transformiert wird.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend aufgeführten Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die Erfindung ist allein, dass ein chemoelektrischer Wandler, der aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger, insbesondere wässriger Lösung von Glucose, und Sauerstoff als Edukten entweder über Reaktionszentren und sekundäre Donoren oder über Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln kann, wobei mindestens ein poröser, Elektronen und Protonen leitender Festkörper vorgesehen ist, in dessen Volumen entweder die Reaktionszentren und die sekundären Akzeptoren oder die Reaktionszentren und die sekundären Donoren als feste Verbindungen vorliegen.

Claims

Chemoelektrischer Wandler mit Elektroden, der aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger und Sauerstoff als Edukten über Reaktionszentren und sekundäre Donoren und über Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln kann, wobei als Elektroden zwei poröse, Elektronen und Protonen leitende Festkörper (7, 8) vorgesehen sind, wobei in dem Volumen des ersten Festkörpers (7) die Reaktionszentren (RZA1, RZA2) und die sekundären Akzeptoren (A) und in dem Volumen des zweiten Festkörpers (8) die Reaktionszentren (RZD1, RZD2) und die sekundären Donoren (D) als feste Verbindungen (24) vorliegen und der erste und der zweite Festkörper (7, 8) durch eine protonenleitende Membran (6) getrennt in Kontakt stehen gemäß deutschem Patent 102 19 585 C1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörper (7, 8) eine aus Partikeln (22) gebildete elektronenleitende Matrix und eine aus Partikeln (23) gebildete, versetzt zur elektronenleitenden Matrix angeordnete, protonenleitenden Matrix aufweist und die Reaktionszentren (RZA1, RZA2) und die sekundären Akzeptoren (A) und die Reaktionszentren (RZD1, RZD2) und die sekundären Donoren (D) als Komplexe (24) in den Matrizen angeordnet sind und dass die Partikel (22, 23) und die Komplexe (24) geordnet in dem mindestens einen Festkörper (7, 8) vorliegen, wobei die Komplexe (24) kapselförmig, insbesondere kugelförmig ausgebildet sind und von einer durchlässigen Schicht Partikel (22, 23) umgeben sind und wobei die Zwischenräume zwischen den mit Partikeln (22, 23) beschichteten kapselförmigen Komplexen (24) ein mikroskopisches Kapillarsystem ausbilden.
Chemoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (22, 23) ebenfalls kapselförmig, insbesondere kugelförmig ausgebildet sind, wobei das Volumen der kapselförmigen Partikel (22, 23) wesentlich geringer ist, als das der kapselförmigen Komplexe (24).
Chemoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Partikeln (22, 23) umgebenen kapselförmigen Komplexe (24) in einem Raster angeordnet sind.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (22, 23) und/oder die Komplexe (24) in die Matrix über ein elastisches Bindemittel derart eingebunden sind, dass die Festkörper (7, 8) elastisch sind.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Festkörper (7, 8) über eine Kontaktierung 9 aus Graphit, vorzugsweise ausgebildet als Graphitgitter und/oder als Graphitfolie, verbunden sind.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als sekundärer Akzeptor (A) Mn(IV)-Oxid dient.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als sekundärer Donor (D) Metalloxide, insbesondere Fe(II)-Oxide dienen.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an mindestens einem Festkörper (7, 8) mindestens eine makroskopische, kapillaraktive Leiterbahn zum Zu- und/oder Ableiten von Flüssigkeit vorgesehen ist.
Chemoelektrischer Wandlernach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Injektionsvorrichtung Edukte und/oder Wasser direkt auf die Leitungsbahnen aufbringbar sind und dass die als Elektroden-Speicher-Strukturen fungierenden Festkörper 7, 8 durch einen Ultraschall-Sender in hochfrequente mechanische Schwingungen versetzt werden.
Chemoelektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Festkörper (7, 8) unterschiedliche pH-Werte aufweisen.
Chemoelektrisches Wandlersystem, das aus einem flüssigen Wasserstoffüberträger und Sauerstoff als Edukten über Reaktionszentren und sekundäre Donoren und über Reaktionszentren und sekundäre Akzeptoren elektrische Energie auskoppeln kann, wobei mindestens ein chemoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist, wobei dessen protonenleitende Membran (6) zwischen den als poröse, Elektronen und Protonen leitende Festkörper (7, 8) ausgebildete Elektroden angeordnet ist und die Elektroden vorzugsweise jeweils auf ihren Außenseiten über Kontaktierungen (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 8) zwischen zwei vertikalen Platinen (29) angeordnet sind.
Chemoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die an der negativen Elektrode (7) angeordnete Platine (29) Öffnungen (26) zur Injektion von flüssigen Edukten aufweist.
Chemoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der an der positiven Elektrode (8) angeordneten Platine (29) und der positiven Elektrode (8) Kanäle (27) zur Leitung von Gasen, insbesondere von Luft, vorgesehen sind.
Chemoelektrisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven Elektrode (8) und den Kontakten (9) eine hydrophobierte Kohlematte (25) angeordnet ist.
Chemoelektrisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden (7, 8) über eine Induktivität (30) miteinander gekoppelt sind.
Chemoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung mehrerer Elektrodenpaare über einen Hochfrequenztransformator stattfindet, wobei jeder Elektrode (7, 8) eine eigene Primärwicklung (30) zukommt.