ZAC-Prototyp

Die genaue Ausgestaltung des Prototyps der Zn/O-Brennstoffzelle ist Gegenstand einer ausführlichen Entwicklung, in deren Rahmen verschiedene Entwürfe und Designs vorgestellt und optimiert werden müssen.

Prototyp 1.

Features:

• Stackable (==> erweiterbar auf 12V)
• Elekrolyt-Flow
• Air-Flow
• Zinc-feed in Form von Zinkplatten, (durch Schwerkraft, keine beweglichen Hopper-Teile)
• Gaskathode auswechselbar

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Design-Aspekte:

Elektrolyt-Flow:

Der Elektrolyt sollte einen möglichst kurzen Weg nehmen, d.h. ein Großteil der Elektrolytflüssigkeit soll direkt nach Gebrauch von der Zelle "gereinigt" werden und gleich dem System wieder zugeführt werden. Dazu macht man sich den Effekt zunutze, das Zinkoxid-Molkeüle schwerer sind als Wasser-Moleküle. Die rückzuführende Elektrolyt-Menge sollte daher im oberen Bereich der Kammer entnommen werden.

Air-Flow

Eine kontrollierbare Luftzuführung ist aus mindestens zwei Gründen essentiell:

• Zum einen kann die Luft vorher durch einen sog. "Scrubber" geleitet werden, durch welchen das CO2 entfernt wurd. CO2 würde nämlich ansonsten innerhalb des Elektrolyten Carbonat bilden, welches wiederum die Poren der Gaskathode zusetzt und somit deren maximal mögliche Arbeitsstunden/Lebensdauer stark verringert.

• Zum anderen bieten separate Luftzufuhr-Kanäle die Option, auch den Luftdruck zu kontrollieren, was einem langfristigen "absaufen" der Gaskathode entgegenwirken könnte und eventuell auch eine Optimierung der Zellenleistung durch eine nachgeführte Regelung erlaubt.

Dichtungen:

• Die Gaskathode wird mit EPDM-Kleber in eine eigenständiges Modul geklebt und damit gleichzeitig zum Luftraum hin abgedichtet.

• Etwaige Kammer-Flachdichtungen entfallen aufgrund der Konstruktion: Die KOH-Lösung befindet sich in einer wannenförmigen Kammer, in welche widerum die Kathoden- und Anoden-Module eingehängt werden können (und damit auch leicht auswechselbar sind).

• Kleine Dichtungsfläche am Flansch für die Verbindungsstücke zur Klärstufe

Integration Separator und Anode

• jeweils eigener Modul-Rahmen. Bei der Gaskathode auch mit Anschlussmöglichkeiten für kontrollierte Luftzufuhr.

Befestigung Separator und Gaskathode

• Separator befindet sich als sehr grobmaschiger Käfig um die Anode

Anode tafelförmig

• sollte idealerweise mit möglichst wenigen Partikelrückständen "verbrannt" bzw. oxidiert werden, Elektronen können aber nach beiden Obeflächenseiten abgegeben werden, daher wird in einer Zellenkammer gegenüber beiden Seiten jeweils eine Kathode positioniert.

Dimensionierung

• Vorgegeben durch Kathodengröße. Bei Prototyp 1 beträgt diese 50x100mmm. Bei nachfolgenden Versionen sollte diese etwa 20 x 10cm betragen, da Kathoden als Rollenware produziert werden mit 10cm Breite. Größere Länge wäre demnach jedoch möglich, also etwa 30 x 10cm, vielleicht für spätere Prototypen.

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Modularer Aufbau

• Gaskathoden-Modul: Trennt das Innere der Zelle durch die Gaskathode von der Umgebungungsluft, welche sich als Luftkammer hinter Kathode befindet und durch einen Lufteinlass und einen Luftauslass mit frischer Luft bzw. Sauerstoff durchspült werden kann.

• Zinkanoden-Modul: Leichtes Gitter welches die Zink-Platte in optimaler Höhe gegenüber den Gaskathoden festhält.

• Kammer-Modul: Im oberen Teil der Kammer können zwei Gaskathodenmodule eingehängt werden und mittig dazwischen die Zink-Anode. Im unteren Teil wird Zinkoxid- und Zinkreste-Schlamm ("Slurry") gesammelt und durch eine schräge Ebene/Rutsche zum Ausgang befördert. Das dafür benötigte Emscherbrunnen-Modul kann hier als Einsatz eingeschoben werden.

• Emscherbrunnen-Modul: Bewirkt eine Trennung der Zinkoxid-Partikel vom leichteren Elektrolyt

• Verbindungsstücke: Verbinden die Kammer über einen kurzen Schlauch mit dem Klärstufen-modul

• Klärstufen-Modul: Eine Kaskade von vier hintereinandergeschalteten Absetzbecken .

• Peristaltik-Pumpe: Befördert den Elektryolyten aus der letzten Klärstufe in den Hochtank

• Hochtank: Pufferspeicher für Elektrolyt; ist galvanisch vom Rest der Zelle entkoppelt.

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Das Gaskathoden-Modul

Die wichtigste Vorgabe für das Gaskathoden-Modul besteht darin, dass die Gaskathode in ergonomisch einfacher Weise auswechselbar sein muss. Genauer gesagt wird der ganze Modulrahmen, in welchem die Gaskathode selbst fest eingeklebt ist, in die Reaktionskammer einfach eingeschoben bzw. wieder rausgezogen. Beim ZAC-Prototyp V.1 ist die Dimensionierung (der ganzen Zelle insgesamt) noch recht grob, da hier zunächst ausschliesslich die Funktionalität dargestellt und erforscht werden soll. Eine Optimierung hin zu schlankeren Dimensionen kann dann in der nächsten Version erfolgen, d.h. mittelfristig kann man sich die Gaskathode als möglichst dünnes Verbund-Fertigteil vorstellen.

Die Gaskathode selbst wird in einen Falz eingeklebt und gepresst, was ev. noch durch einen dünnen Rahmen verstärkt wird. Diese Verbindung muss absolut dicht sein, da hierdurch die flüssige Elektrolyt-Phase von der Luft-Kammer separiert wird.

Nach oben hin gibt es einen Durchgang für die Kontakt-Lasche (Strom-Abgriff). Dieser muss ebenfalls gut verklebt/abgedichtet werden um einen Kontakt zum umgebenden Luftraum zu verhindern.

Die Kontaktlasche wird erstellt indem die Gaskathode zunächst einige mm größer als die Öffnung ist und dann ein entsprechend breiter Streifen oben eingeschnitten, aber eben nicht vollständig abgetrennt wird, sondern auf den letzten zwei Zentimetern verbunden bleibt. Der eingeschnittene Streifen wird nun zweimal im 45° Winkel abgeknickt und durch den Durchgang geführt und verklebt. Dadurch wird nun kein separater Stromabgriff (etwa aus Silberdraht) mehr benötigt, der z.B. durch löten am Drahtgitter befestigt werden müsste. Es war halt die negative Erfahrung beim Kathodentester, das sich die Lötverbindung binnen weniger Stunden durch den Elektrolyten auflöste (da das Lot aus unedlerem Metall besteht) und dadurch die Testläufe vorzeitig beendete. Die aktuelle Version muss aber auf Dauerbetrieb ausgelegt sein.

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  Die Gaskathode wird in den Falz eingebettet und der damit eingeschlossenen Luftkammer wird über Kanäle Luft zu- und abgeführt.

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  Abmessungen

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  Erster Probedruck (ältere Version; hier fehlt noch der Durchgang für die Kontaktlasche)

Freecad-Datei: [1]

Die Schlauchpumpe

In Englisch: "Peristaltic Pump".

Eine Schlauchpumpe ist etwas, das sich hervorragend mit einem 3D-Drucker selber machen lässt, was ausser der Kostenersparnis auch den Vorteil bietet, das man sie sich in Bezug auf die Leistung genau dem eigenen Bedarf entsprechend dimensionieren kann. Viele Modelle zum selber drucken gibts auf Thingiverse, siehe [2].

Besonders gut gefällt mir dieses Modell: [3]

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  3D-gedruckte peristaltic-Pumpe (credits to RichRap on thingiverse.com).

Links

Referenz	Beschreibung
[4]	3D-gedruckte mikrobielle Brennstoffzelle, mit ausführlicher DIY-Anleitung