Mobiler Einsatz? Vibration

Ein Brennstoffzellen-ähnliches System zur langfristigen Energiespeicherung / A semi-fuelcell system for energy storage
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Bastelmike
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Mobiler Einsatz? Vibration

Beitrag von Bastelmike » So 6. Okt 2013, 11:32

Hallo Oliver,

hab mich die letzten Tage mal erwas mit Deinem ZAC-Projekt beschäftigt. Zugegebenermassen war ich anfangs eher skeptisch, wobei Batterieherstellung auch nicht meine Kernkompetenz ist ;)
Aber für mich sehen die bisherigen Ergebnisse gut aus; schon fast sehr gut. Was mich an elektrischen Messungen noch sehr interessieren würde, wären Langzeitmessungen an den Zellen. Leider dauern die lange wie der Name schon sagt.

2 Punkte bei ZAC kommen mir in den Sinn

1. Gehäuse für die Zellen
Hast Du Dir schon Gedanken über Form, Materialwahl und Herstellung gemacht. Es sollte leicht und billig sein, dauerhaft beständig gegen die Elektrolyt-Lösung. Und das Auslaufen derselben in allen Lagen verhindern.

2. Kathoden
Die gekauften Elektroden sind zu teuer, bei dem Stückpreis wird sich die ZAC-Zelle nicht rechnen. Aber Deine Fortschritte mit eigener Herstellung find ich recht ermutigend angesichts der kurzen Zeit.

Was mir aber schnell dabei in den Sinn kam, ist der auch geplante mobile Einsatz. Nach den Fotos und Deinen Beschreibungen traue ich beiden Kathoden nicht die nötige Rüttelfestigkeit für den Einsatz in Fahrzeugen zu. Siehst Du das anders?
Gibt es bereits bei kommerziellen Herstellern solche Versuche?

Grüsse
Mike

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case
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Re: Mobiler Einsatz? Vibration

Beitrag von case » So 13. Okt 2013, 12:49

Hi Mike,
hab mich die letzten Tage mal erwas mit Deinem ZAC-Projekt beschäftigt. Zugegebenermassen war ich anfangs eher skeptisch, wobei Batterieherstellung auch nicht meine Kernkompetenz ist ;)
Meine auch nicht, ich hab einfach nur einen großen Bedarf nach dem Resultat ;) Also als Konsument sozusagen.

Aber für mich sehen die bisherigen Ergebnisse gut aus; schon fast sehr gut.
Ja, sowas ist mir dann selbst verdächtig. Darum wärs natürlich gut, wenn auch andere die Versuche nachvollziehen würden.

Immerhin, mit dem Kathodentester muss ich jetzt noch zwei Experimente machen, wos darum geht , noch zwei weitere kommerzielle Luftkathoden von verschiedenen Herstellern mit der bislang von mir verwendeten zu vergleichen - unter gleichen Bedingungen. Wenn ich damit durch bin, werde ich einen Kathodentester (ich hatte mir extra zwei davon gemacht) an Gschnack schicken, der kann das dann bei sich hoffentlich verifizieren.

Was mich an elektrischen Messungen noch sehr interessieren würde, wären Langzeitmessungen an den Zellen. Leider dauern die lange wie der Name schon sagt.

Das ist Messtechnisch kein Problem, ich kann solange Daten aufzeichnen wie Platz auf der Festplatte meines PCs ist, müsste nur halt vorher die Ringdatenbank in der die Daten gesammelt werden, entsprechend dimensionieren.
Es geht aber vorher schon dem Kathodentester irgendwann die Puste aus, ich hab ja gemessen bis nix mehr drin war. Ich würde aber vermuten das sich bei einem kleineren Verbraucher die Sache länger hinziehen würde.

Aber der Kathodentester ist ja auch noch keine fertige Brennstoffzelle. Bei letzterer, d.h. kontinuierlicher Brennstoffzuführung, wäre eine solche Messung ja auch gleichzeitig eine Art Dokumentation dessen was passiert, wenn das Teil im Dauerbetrieb betrieben würde. Bis dahin müssten aber auch noch ein paar Hürden genommen werden.

2 Punkte bei ZAC kommen mir in den Sinn

1. Gehäuse für die Zellen
Hast Du Dir schon Gedanken über Form, Materialwahl und Herstellung gemacht. Es sollte leicht und billig sein, dauerhaft beständig gegen die Elektrolyt-Lösung. Und das Auslaufen derselben in allen Lagen verhindern.

Material wird wohl PE oder etwas in der Art sein. Und der ganze Stapel aller Einzelkammern muss natürlich nochmal von einer hohen Wanne umgeben sein, genauer gesagt kann diese äussere Hülle nach oben hin auch gerne abschliessend und dicht sein.


Die einzelnen Trennkammern könnten in dieses Gefäß integriert sein. Die Gaskathode muss auf jedenfall in einen separaten Plastikrahmen geklebt werden und dieser muss irgendwie in das System rein-clips-bar oder reinschraubbar sein, so dass Gaskathoden bei Bedarf jederzeit ausgetauscht werden können.

Gängige Ansätze in dieser Richtung arbeiten mit zwei Platten aus z.B. Plexiglas, in welche Kammer und Kanalsysteme eingefräst sind.
Die Kunst besteht nun darin, diese Kanäle so zu gestalten, dass sich damit das Leitungs- und Kammersystem der ZAC ergibt, wobei es obendrein noch alles schön dicht sein muss, was nicht einfach sein dürfte. Ev. könnte man eine umlaufende Nut mit einem Dichtring vorsehen.
(Oder, wie beim Kathodentester, eine Flachdichtung aus EPDM vorsehen. Beim Kathodentester war die Dichtigkeit nicht ganz so dolle, d.h., ich hab immer eine Auffangwanne für ev. austretende Tröpfchen (allerdings nur minimal) druntergehabt. Bei der letzten Version habe ich allerdings mit einem Neoprenkleber deutliche Verbesserungen diesbezüglich erzielen können. Ausserdem liegt die Ursache dafür m.E. in der Verwendung von Polystyrol, d.h., billigem Bastlerglas anstatt teurem Plexiglas. Ersteres ist nämlich sehr spröde und brüchig, so dass ich die Schrauben nicht sonderlich fest anziehen konnte, worin m.E. die Hauptursache für die kleinen Undichtigkeiten besteht. Bei Verwendung eines stabileren Materials und festerem Schraubenanzug müsste die EPDM-Flachdichtung schätzungsweise ausreichend dicht werden. Das sag ich mal so, ohne es selbst ausprobiert zu haben.)


Man könnte aber auch jede Teilzelle autonom, d.h. mit komplettem eigenen Gehäuse ausstatten - und allen benötigten Anschlüssen. Für eine 12V Zelle packt man einfach 12 Stück davon in die vorgenannte PE-Wanne und verschaltet sie miteinander parallel. Die sollten meiner Meinung nach auch alle einzeln ansteuerbar sein, d.h. individuelle Kontrolle und Steuerung jeder einzelnen Teilzelle bzw. ihrer Zuflüsse.

Ich glaube letzteren Ansatz bevorzuge ich wegen der Modularität und es ist einfacher zu bauen. Zumindest für den als nächstes anstehenden Prototyp I wäre das meine Wahl.

Was nun den Aufbau der einzelnen Kammern angeht so sollte min. eine dicke PE-Platte zentral sein, in welche Kammer und Kanäle etc. eingefräst werden können. Ausserdem sollte sie dick genug sein um Bohrungen für runde Anschlusstutzen aufnehmen zu können, ich würde mal schätzen 15 oder 16mm sollten ausreichend sein. Die Dimensionierung orientiert sich an der Größe der Gaskathoden - diese werden als Meterware in 10cm breiten Endlos-Rollen produziert (und ich schätze, darauf würde es auch bei einer Eigenproduktion hinauslaufen), für den Anfang wäre wohl 20x10cm Gaskathodengröße eine gute Wahl, später könnte man dann ev. auf 30x10 oder 40x10 gehen, um die Leistung zu steigern. Zuzüglich umlaufende 5cm für Kanäle, Hopperverteilungsraum etc. wäre man dann bei rund 30x20cm benötigter Plattengröße. Aus 1qm kriegt man 15 Platten von 30x20cm ausgeschnitten.

Nochmal zurück zum Material. Plexiglas würde gehen, ist aber recht teuer, wäre aber zumindest am Anfang für erste Prototyp-Kammern interessant, weil man da sehen kann, was sich innen abspielt, wie die Kanäle verlaufen usw.

Ansonsten wäre PE von der Laugenbeständigkeit her bestens geeignet und ist auch vom Preis her wesentlich günstiger, siehe z.B. hier:

http://ths-straub.de/shop/article_4500 ... 0000150%26

Das ist hochmolekulares PE (auch PE500 oder PE-HMW genannt), der qm bei einer 15mm dicken Platte schlägt hier mit 112,-EUR zu Buche. Das wäre m.E. ok, einzige Sache ist die Temperaturbeständigkeit, die geht bis ca. 80°C.

Ich hab bislang keine Wärme Entwicklung registrieren können, würde eine solche bei einem größeren Stack aber auch nicht per se ausschliessen. Aus der Literatur weiss ich, das bei einer "normalen" alkalischen Brennstoffzelle (AFC) Temperaturen bis 80°C erreicht werden können, d.h., das könnte mit etwas Glück so gerade eben passen.

Eine weitere Alternative, insbesondere wenn doch höhere Temperaturbeständigkeit (bis ca. 120°C Dauertemperatur) gegeben sein soll, wäre ABS. Das weist auch eine gute Laugenbeständigkeit aufund wäre ca. 2 1/2 mal teuerer als PE. Hätte aber auch den verlockenden Vorteil, dass es ein Standarddruckmaterial für 3D-Printer ist, d.h., hier böte sich natürlich die Chance, die Kammern zu drucken anstatt zu fräsen und damit für ein schnelles und günstiges Prototyping (mit meinen Mitteln, ich bau mir ja grad einen 3D-Drucker). Ausserdem kann man mit 3D-Druck als einer materialauftragenden Arbeitsweise auch Strukturen hinbekommen, die mit fräsen nicht möglich sind.

Soweit diese Übersicht. Wieauchimmer, abgesehen von meinen noch ausstehenden Messungen der beiden kommerziellen Gaskathoden wäre jetzt im Grunde der nächsteSchritt die Phase des Designentwurfs und der Konstruktion der Einzel-Kammern dessen, was ich als Prototyp I bezeichnen möchte; soll heissen, ich hab da noch keine festgefügten Vorstellungen und wäre für Input und Beteiligung offen ;)
Kathoden
Die gekauften Elektroden sind zu teuer, bei dem Stückpreis wird sich die ZAC-Zelle nicht rechnen. Aber Deine Fortschritte mit eigener Herstellung find ich recht ermutigend angesichts der kurzen Zeit.
Naja, bei dem Stückpreis für die Gaskathode von Gaskatel muss man mit bedenken, das es sich hier um eine Sache handelt, von der zumindest ich in DE keine weitere frei verfügbare Quelle kenne und ich habe nur ein Einzeltsück bestellt. bei größeren mengen könnte es ev. noch billiger werden. Beim Vergleich mit Anbietern aus dem Ausland zeigt sich, das es da durchaus sher große Preisunterschiede geben kann, zB. ist die Gaskathode von Meeth schon eine Größenordnung billiger.

Man muss allerdings beim Vergleich ausser dem Preis auch noch andere Dinge berücksichtigen, insbesondere die Art der Gaskathode und deren Eigenschaften. Die Meeth-Gaskathode verwendet z.B. ua. Zinkschaum in der äusseren Schicht. Noch wichtiger ist natürlich die Nennleistung, dazu kann ich aber noch nichts sagen solange ich sie noch nicht gemessen habe, aber es ist wohl klar, dass es hier sicherlich auch Untzerschiede geben mag.

Ausser der Nennleistung ist aber, insbesondere im Hinblick auf den Preis noch ein anderer Faktor wichtig, nämlich die Lebensdauer. Ich hab in der Literatur Angaben gefunden, die gehen von 1200 Betriebsstunden bis zu 10000 Betriebsstunden, letzteres wäre natürlich phantastisch, ist aber sicherlich mit Vorsicht zu geniessen, so dass ich den ersteren Wert für realistischer ansehen würde.

Abgesehen davon gibts aber auch ev. Möglichkeiten, Einfluss auf die Lebensdauer zu nehmen. Ein begrenzender Faktor ist, dass die KOH-Lösung mit dem CO2 aus der Luft zu Kaliumcarbonat reagiert, welches ausgefällt wird und dann irgendwann die Poren der Gaskathode zusetzt. Gschnack hat diesbezüglich angemerkt, das man durch den Einsatz eines vorgeschalteten, sogenannten "Scrubbers" das CO2 entfernen oder verringern könnte, was eine längere Lebensdauer bewirken müsste.


Wass die eigene Herstellung betrifft so sehe ich die auch als ein Endziel mit an, aber aus meiner Sicht hat das keine oberste Priorität, man kann das System auch erst mit kommerziellen Kathoden entwickeln und hat dann gleich eine Messlatte bzw. Referenz für eine eigene Entwicklung.

Allerdings scheint mir, was meinen Entwicklungsstand dazu betrifft, hier möglicherweise ein Missverständniss vorzuliegen: Ich hab zwar schon ein biuschen damit rumexperimentiert, aber meine Gaskathoden funktionieren noch nicht - wenngleich ich allerdings schon eine relativ konkrete Vorstellung davon habe, wie man funktionierende herstellen könnte, man braucht dazu im wesentlichen Temperatur von ca. 320°C und zwei beheizte Platten oder Walzen (Kalander) und ab da wäre dann ein ausprobieren verschiedener Mischungsverhältnisse der "Grundzutaten" angesagt. Die Messkurve im Wiki bezieht sich auf eine Messung mit einer Gaskathode von Gaskatel.

Was mir aber schnell dabei in den Sinn kam, ist der auch geplante mobile Einsatz. Nach den Fotos und Deinen Beschreibungen traue ich beiden Kathoden nicht die nötige Rüttelfestigkeit für den Einsatz in Fahrzeugen zu. Siehst Du das anders?
Du darfst nicht den sog. "Kathodentester", seines Zeichens eine einfach Versuchsanordnung zur vergleichenden Messung von Gaskathoden, verwechseln mit dem späteren Prototyp. Der Kathodentester ist ja noch aus praktischen Handling-Gründen nach oben hin offen. Tasächlich darf die Zelle ausser über die Gaskathode an keiner Stelle in direktem Kontakt mit der Aussenluft stehen, da man sich ansonsten hierüber unkontrolliert und ungewollt CO2 einfangen würde, d.h., es wäre schon ein völlig abgeschlossenes System.

Bezügl. Eelektrolytaustritt hätte ich bei Rüttelei wenig Bedenken, die Frage wäre für mich eher, wie sich das auf das Zinkpulver auswirken würde, bei welchem ja die einzelnen Partikel durch ihr Eigenwicht zusammengedrückt werden, so dass sie Berührungskontakt haben und somit das Ganze elektrisch leitend ist. D.h, wenn durch einen Rüttel das Gefüge unterbrochen wird, wird damit für diesen Moment auch die gesamte Oberfläche etwas kleiner, es kann aber sein, das sich das nicht weiter negativ auswirkt, ausser das die Leistung marginal geringer wird.

Theoretisch könnte es sich sogar sehr positiv auswirken, nämlich indem sich zum einen durch das Rütteln das Zinkoxid besser von den Partikeln ablöst und somit permament wesentlich mehr an blanker, d.h., reaktiver Zink-Oberfläche verfügbar wäre. Und zweitens würde es vermutlich dazu beitragen, das schon "abgelutschte", also bereits verkleinerte Partikel noch besser nach unten durchrutschen können. Genau dieses wird z.B. bei der Zelle von Cooper durch eine schräge Seitenwand bzw. eine daraus entstehende Trichterform, erreicht, siehe z.B. hier:

Bild
Gibt es bereits bei kommerziellen Herstellern solche Versuche?
Ich würde schätzen: Ja, mit Sicherheit.

Aber kann keine konkreten Quellen dafür benennen. Die gesamte Situation der Zink-Luft-Zelle sieht so aus, das ich selbst zwar hauptsächlich ein Interesse an einer stationären Anwendung habe, aber der Rest der Welt, und insbesondere die Autoindustrie, sich dafür im Rahmen der Anwendung für Elektro-Mobilität interessiert. Immerhin haben wir es hier mit dem System mit der höchsten Energiedichte (in Wh/Kg Batteriegewicht) zu tun, welches noch eine 2 bis 3 mal höhere Eenergiedichte als selbst Li-Ion-Akkus aufweist und locker 12 mal soviel wie ein Blei-Akku (vergleiche: Blei-Akku: rund 30 Wh/Kg - mein Kathodentester: rund 400 Wh/Kg, plus Optimierungspotential). Und für ein Eektroauto ist ein gewichtiger Faktor, wenn die Batterie nur ein zwölftel wie normal wiegt oder umgekhert bei gleichem Gewicht zwölfmal mehr Energie mitnehmen kann.

Leider scheint diese ganze Forschung aus naheliegenden Gründen hinter verschlossenen Türen stattzufinden, d.h., man (oder zumindest ich) findet im Internet kaum frei zugängliche Info darüber - wenn, dann noch am ehesten in Patenten. Das einzige was erkennbar ist, das ist, das sich da im Hintergrund durchaus einiges zu tuen scheint, z.B. in Form von BMBF-Forschungsaufträgen etc.

Ich kann das gut verstehen, einerseits möchte man ja gerne diese Technologie fürs Elektro-Auto haben, aber andererseits soll natürlich vermieden werden, dass Otto-Normalbürger die in die Finger kriegt und damit seinen Solarstrom vom Sommer mit in den Winter nehmen kann und damit reihenweise die ganzen Photovoltaikanlagenbesitzer anfangen würden, den Stromkonzernen Tschüss zu sagen ;) Bislang siehts nämlich so aus, dass die ihren selbsterzeugten Strom im Sommer einspeisen und (sobald die 20jährige Garantie-Vergütung ausgelaufen ist, was bei vielen Anlagen bald der Fall sein wird) dafür mit lumpigen 5 Cents oder so abgespiesen werden, aber im Winter, wenn sie aufgrund wenig Sonne Energie zukaufen müssen, dafür dann 30Cents pro KWh berappen müssen. Energieautonomie bzw. -selbstversorgung für die breite Masse ist definitiv nicht erwünscht, und da die Zink-Luft-Technologie ein Schlüssel dazu sein könnte muss man aufpassen, das darüber nicht allzuviel bekannt wird.
Dabei ist die Technologie als solche durchaus schon etliche Jahrzehnte bekannt. Aber ok, man kann ja auch eigene Versuche anstellen und sollte das Ergebnis dann ein paar Prozent weniger effizient sein, als ein industrielles Produkt, so kann ich damit insbesondere im Rahmen der von mir angestrebten stationären Anwendung sehr gut leben ;)

Gruss, Oliver

PS: Nochwas zur Rüttelei: Was den Elektrolyten angeht könnte man diesen ev. auch etwas mit Gel verdicken. Auf unserer Wiki-Seite http://wiki.opensourceecology.de/Zn/O-Brennstoffzelle findest Du unten in den Referenzen unter link Nr. 4 ein Paper, wo der Einsatz von Agar als Verdickungsmittel untersucht wird und anscheinend recht gut geeignet zu sein scheint.
--- Man wächst nur, indem man etwas zuende bringt und etwas anderes beginnt ---

Mein Blog: http://makeable.de
OpenEcoLab-Charta: http://openecolab.de

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