Zn/O-Brennstoffzelle

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Einführung

Bei diesem Projekt geht es um die Entwicklung einer möglichst langfristigen Speicherlösung für elektrische Energie. Das Projekt besteht aus zwei Elementen:

1. Zink-Luft Brennstoffzelle: Die Zelle besteht aus einer Kohlenstoff-Kathode, welche den Luftsauerstoff weiterleitet und einer Zink-Anode. Als Elektrolyt wird in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid (Kalilauge) verwendet. Das Zink wird hier quasi als Treibstoff kalt "verbrannt", d.h. oxidiert und es entsteht Zinkoxid (ZnO). Das theoretische Maximum der ZAC-Energiedichte liegt bei rund 1,3KWh/Kg.

2. ZnO-Recycler: Um den verbrauchten Treibstoff wieder zu regenerieren bzw. wiederaufzuladen muss das Zinkoxid unter Aufwendung von Energie wieder zu Zink reduziert werden. Dies kann auf verschiedenem Wege geschehen, z.B. bei hohen Temperaturen (>1200°C) unter Kohlenstoffzufuhr, oder einfacher, in einem galvanischen Prozess, was der hier angestrebte Lösungsansatz wäre.

Das ZAC+ bietet insbesondere im Vergleich mit allen anderen Arten von Akku-Systemen (Blei-Säure, Lithium, usw) eine Vielzahl von Vorteilen, u.a. folgende:

• Unbegrenzte Zyklenanzahl
• Unbegrenzte Lagerfähigkeit
• Unempfindlich gegen Tiefentladung und Überladung
• Simple und überall und günstig erhältliche Komponenten
• Komponenten sind absolut unschädlich für die Umwelt
• Mit Abstand die höchste Energiedichte

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Einordnung; ähnliche Technologien

ZAC+ stellt als OSEG-Projekt eine interessante Alternative zu dem in der Top50-Liste von OSE-US aufgeführten Nickel-Eisen-Akku ("Edison-Batterie") dar. Im Gegensatz zu diesem ist aber die Technologie klarer und überschaubarer (insbesondere was die Herstellung betrifft) und die Komponenten sind einfacher zu beschaffen und vergleichsweise ungiftig und damit besser handhabbar.

Das Prinzip der Zink-Luft-Batterie ist schon seit Ende WW2 gut bekannt, kommt aber interessanterweise bislang nur als Primärzelle zur kommerziellen Anwendung bei Batterien für Hörgeräte. In neuerer Zeit erfreut es sich aber eines zunehmenden Interesses, wohl besonders aufgrund der extrem hohen Energiedichte und somit im Hinblick auf Elektromobilität. Die mögliche Eignung als stationäre Anwendung zur Langzeitspeicherung alternativ erzeugter Energie ist vielleicht aus marktpolitischen Gründen nicht sonderlich erwünscht ;)

Dennoch gibt es auch in diesem Bereich Forschung, da wäre insbesondere das Großprojekt SFERA zu nennen, bei dem als ein Teilprojekt (Solzinc) und im Rahmen einer Kooperation von Prof. Aldo Steinfeld von der ETH Zürich und dem Weizmann Institut in Israel versucht wird, hohe Temperaturen mittels einer großen Anzahl von Solarspiegeln, welche auf die Spitze eines Turmes fokussiert sind, zu erzeugen und in einer speziellen Brennkammer und unter Kohlenstoffzufuhr das Zinkoxid wieder zu reduzieren.

Es gibt einige Firmen, die versuchen eine Zink-Luft-Batterie als Akku auszulegen und dabei eine möglichst hohe Zyklenanzahl zu erreichen. Zu nennen wären dabei u.a. Leo Motors Inc., Zinc Air Inc., Revolt, Powerzinc und EOS Energy Storage. Insbesondere letztere scheinen dabei recht innovativ zu sein und auch Langzeitspeicherung mit anzupeilen.

Was die Anwendung als Brennstoffzelle angeht, so scheint hier besonders John Cooper vom Lawrence Livermore National Laboratory federführend zu sein, inzwischen ist er wohl dabei, seine Entwicklung zusammen mit ZincAir Inc. zu kommerzialisieren.

Rahmenbedingungen

Wünschenswert wäre eine saisonale Speicherung (einer großen Energiemenge) von Sommer zu Winter. Es wird u.a. Gegenstand des Projektes sein, herauszufinden, ob dies in einem ökonomisch vertretbaren Rahmen möglich ist. Zumindest eine Speicherung von einigen Tagen oder Wochen sollte dagegen relativ problemlos machbar sein.

Desweiteren gilt es festzustellen, welcher Wirkungsgrad erreicht werden kann, , bzw. diesen zu verbessern. Dabei gibt es vierschiedene Ansätze für Optimierungen, sowohl auf Seiten der ZAC, als auch auf Seiten des ZnO-Recyclers. Bei letzterem ist besonders die Frage des angewendeten Verfahrens entscheidend bzw. bietet noch Raum für weitere innovative Ansätze, man muss halt irgendwie den Sauerstoff aus dem ZnO rausbekommen, z.B. mittels eines einfachen elektrogalvanischen Verfahrens und unter Zuführung der zu speichernden Energie (z.B. überschüssige Photovoltaik-Energie im Sommer).

Anwendungen

• stationär, als Langzeitspeicher für vorzugsweise Solar-Strom bzw. sonstige alternative Energien. Solange die Primärenergie kostenlos verfügbar ist, ist die Frage nach dem Wirkungsgrad zweitrangig.

• Elektro-Mobilität. Diese Art der Anwendung könnte ev. noch interessant sein für die Elektro-Variante des OSE-Car Projekts.

Nebenaspekte / Überlegungen / Ausblick

Die Komponenten sind einfach zu beschaffen und die Technologie ist recht gut überschaubbar und handhabbar, auch im Hinblick auf Weiterentwicklungen und auf die Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffe.Man braucht nicht viele High-Tech-Komponenten. Einzige Ausnahme dabei ist die Gasdiffusions-Elektrode aus Kohlenstoff. Hier kann wäre eine eigene Entwicklung deutlich kostensenkend. Oder man entwickelt einfachere Varianten, (z.B. gepresste Aktivkohle) und versucht dazu ein paar Eckwerte zu ermitteln um einzuschätzen, ob sich diese in einem sinnvollen ökonomischen Rahmen anwenden lassen.

Darstellung einer Zink-Luft Batterie

Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung der Kathode als Gasdiffusions-Elektrode (GDE bzw. GDL = Gas Difusion Layer). GDLs gibt es auch zu kaufen, da sie bei einigen Brennstoffzellentypen gebräuchlich sind, aber die Preise dafür sind enorm hoch, so das es sich lohnen könnte, hier etwas eigenes zu entwickeln.

• Zink-Luft Batterie
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  Zink-Luft Batterie Testsystem, Entwurf

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  Zink-Luft Batterie Testsystem

Teile

Die Gasdiffusions-Elektrode

auch: Gas- oder Luft-Kathode

Zink-Anode

Die Zinkanode kann aus Zinkplatten bestehen oder auch aus feinem Zinkpulver, zwecks größerer Oberfläche. beides wird z.B. in Batterien eingesetzt. Bei Brennstoffzellen kommen auch sog. Zink-Pellets von ca. 1mm Körnung zum Einsatz.

Kathodentester

Zunächst soll eine einfache Zelle als Testsystem für Gaskathoden entwickelt werden. Diese Zelle verfügt über keinerlei Zuführungen und Ableitungen für Zink, Elektrolyt und Luft sondern wird manuell befüllt.

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  Zink-Luft Batterie Testsystem, Entwurf

ZACmeter - Messung der Kapazität und Entlade-Charakteristik

Ergänzend zum Testsystem wird auch ein Mess-System benötigt, mit welchem sich die Kapazität genau bestimmen lässt und z.B. Entladungskurven aufzeichnen lassen.

ZnO-Recycler

Das beim Entladen der Zelle entstandene Zinkoxid (ZnO) muss wieder recycelt werden zu Zink, um den Kreislauf zu schliessen.

ZAC-Prototyp

Experimenteller Prototyp mit Elektrolyt-Zirkulation

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  Reaktionskammer, darunter Emscherbrunnen zur Abscheidung, Sammler, Kaskadenkammer zur Elektrolyt-Klärung u. -Rückführung

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  Reaktionskammer, Draufsicht

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  Reaktionskammer, Seitenansicht

Andere Designs

Kompakt-Akku

Das ist ein etwas anderer Ansatz, bei dem es um einen wiederaufladbaren Akku geht. Dazu ein Experiment zur Umwandlung von Zinkoxid in Zink durch aufladen.

In diesem Experiment wurde ZinkOxid durch aufladen zu Zink umgewandelt. Dabei wurde die Kathode aufrecht und somit etwa im 90° Winkel zur mit Zinkoxid gleichmässig bestreuten Bodenfläche (bzw. der Anode) angeordnet.

Optimal wäre hierbei natürlich eine horizontale Ausrichtung der Kathode parallel zur Zinkoxid-Schicht, weil sich dann der Zinkschwamm zwar großflächig bilden würde, aber eben nur eine geringe Schicht-dicke hätte. Insbesondere bei einem geschlossenen Kompakt-Akku ist die Menge an Zinkoxid ja konstant und vorher bekannt, man braucht also nur den Abstand darüber zur Kathode so auslegen, das er groß genug ist und keine Kurzschlüsse entstehen können.

Es gibt allerdings ein Problem: Durch die Umwandlung ZnO zu Zn und O2 wird Sauerstoff erzeugt, der wiederum in Blasen nach oben bubbelt. Können diese Blasen also nicht nach oben entweichen und bilden eine mehr oder minder geschlossene Schicht unter der Kathode, dann wird diese quasi isoliert und es kann keine Umwandlung mehr stattfinden. (Für den Entladungsprozess hingegen wäre es aber optimal, weil der Sauerstoff hier von oben kommt.)

Vielleicht wäre eine Art 45°-Geometrie eine Möglichkeit, man müsste mal ausprobieren, ob die Blasen dann nicht vielleicht schräg nach oben entweichen würden. Vielleicht müsste man an der Kathode rütteln ;) bzw. diese einer feinen Vibration aussetzen.

Anode und Kathode bestehen aus einem sehr engmaschigen Stahlgewebe.

• Zinkoxid-Versuch
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  Versuchsanordnung

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  Das weissliche Zinkoxid wird umgewandelt zu Zink

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  Der Zinkschwamm orientiert sich stark in Richtung Kathode bzw. wächst ihr entgegen ("Dentritenbildung").

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  Dem wird durch eine geeignete geometrische Annordnung entgegengewirkt: Die Kathode ist senkrecht angeordnet ...

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  ... und etwas höher aufgehängt.

siehe dazu auch das Eflose-Video: [[1]]

Zelle von Gschnack

Hier ein Entwurf von User Gschnack:

Diese Zelle ist bereits mit einer Zuführung und Ableitung für Elektrolyt ausgestattet. Sie besteht aus zwei gefrästen Plexiglas-Elementen, die eine Silikon-Dichtung aufweisen und von Klammern zusammengehalten werden bzw. zerlegbar sind. Als Gaskathode kommen hier kommerzielle Varianten von Quantumsphere und Electric Fuel zum Einsatz.

Bild 1: Fertige Einzelteile

Weitere Bilder von dieser Zelle und Erläuterungen dazu gibts hier:Zelle von Gschnack

Bislang ist die Stromausbeute bei dieser Zelle noch unbefriedigend gering und liegt deutlich unter den Erwartungswerten (vgl. theoretisches Maximum der ZAC-Energiedichte, so dass wir hier noch einen systematischen Fehler od. Problem vermuten, welches wir durch Quervergleiche debuggen werden.

Organisatorisches

Entwickler-Team

Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)

Roadmap and Log

• 29.07.2012 Projektstart
• 30.07.2012 Projekt-Seite im Wiki erstellt
• 17.08.2012 Seite für Zink-Luft Batterie erstellt
• 16.11.2012 Literatur- und Link-Sammlung, Referenzen zu externen Projekten erstellt
• 08.01.2013 Seite für Kathodentester und ZAC-Prototyp eingerichtet

Aktueller Entwicklungs-Status

17.08.2012 Das Projekt befindet sich noch in der Planungs- und Evaluierungs-Phase. Als Einstieg wird zunächst eine einfache Zink-Luft Batterie entwickelt, als proof-of-concept.

16.11.2012 Herstellung von Gasdiffusions-Elektrode, verschiedene Versuchsansätze

ToDo next

• Seite f. Gaskathodenherstellung einrichten
• Seite f. ZAC Testsystem einrichten
• Rüttelsieb bauen, für Herstellung von größeren Mengen Carbonpulver zum testen
• GDL-Herstellung: Test mit Hermanns Thermodruckpresse
• Berechnung d. theoretisch maximal möglichen Energie ins Wiki einpflegen.
• Vergleich kommerzieller Gaskathoden, Wertetabelle, Bilder, Herstellerinfos, etc.

Open Tasks

• Herstellung von Gaskathode
• Darstellung der ZAC
  • Einfache Zelle als Testsystem für Gaskathoden entwickeln
• Darstellung des Recyclers
  • Herstellung von ZnO (Zinkoxid) für Recycling-Test
• Wiki-Projektseite:
  • Bildmaterial, Grafiken, Skizzen
  • Ausführliche Beschreibung des Projekes:
    • Details zur Funktion und technischen Prinzipien
    • Details zum Konstruktions- und Herstellungsprozess
  • Problembehandlung: Wo klemmts gerade, was hindert besonders?
  • Entwurf, Planung, Design
  • Entwicklung und Konstruktion
  • Prototyp testen, Meßdaten, Optimierung
  • Bill of Materials
  • Dokumentation
  • Release-Versionen, Erweiterungen
  • Verbreitung, User-Gallerie

Spenden

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Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[2]	"A refuelable zinc/air battery for fleet electric vehicle propulsion", F.J.Cooper,D.Fleming,D.Hargrove,R.Koopman,K.Peterman, 1995
[3]	"The Refuelable Zinc-air Battery: Alternative Techniques for Zinc and Electrolyte Regeneration", JF.Cooper, R.Krueger, 2006.
[4]	"Core testing of zinc/air refuelable battery modules", F.J.Cooper,R.Krueger,R.Smith,F.Tokarz, 1998.
[5]	"Development of a zinc-air fuel cell for telecommunication systems" D.Lourens, M.J.Case, H.C.v.Zyl Pienaar, 2006. Enthält u.a. Beschreibung des Aufbaus einer ZAFC einschliesslich Aspekte einer kontinuierlichen Zink-Zuführung.
[6]	"Zinc-Air Cell with KOH-Treated Agar Layer between Electrode and Electrolyte Containing Hydroponics Gel", R.Othman,A.H.Yahaya,A.K.Arof, 2002. Betrachtung des Einsatzes von Agar als Gel zur Einbettung von Zinkpartikeln.
[7] zinc-air.org (archiviert vom 15.8.2013)	Blog mit vielen Literaturhinweisen und Links zum Thema Zink-Luft Zelle.
[8]	"Regeneration of zinc particles for zinc–air fuel cells in a spouted-bed electrode", V.Jiricny, S.Siu,A.Roy,J.W.Evans, 2000. Paper über Recycling von verbrauchten Zinkelektroden.
[9]	Kurzbeschreibung des aktuellen BMBF-Projektes "AKUZIL" der TU Braunschweig
[10]	"ZOXY Zink-Luft-Batteriesystem für ortsfeste Anwendungen". Ein Paper von 1997 des "Institut für Solare Energieversorgungstechnik" (ISET) der Uni Kassel, in welchem die Einsatzmöglichkeit für saisonale Energiespeicherung betrachtet wird.
[11]	Kurzübersicht über ZOXY Technologietransfer beim Paul-Scherrer Institut, ca. von 1999 bis 2003
[12]	IPRO313, Studentenprojekt zum Bau eines ZAFC betriebenen Autos, Diverse Berichte und Präsentationen aus 2012
[13]	IPRO313, Studentenprojekt zum Bau eines ZAFC betriebenen Autos, Diverse Berichte und Präsentationen aus 2011
[14]	J.Romero-Zabaleta, 2011, Master Thesis, u.a. Infos zum Recycling Prozess.
[15]	Thread im OSEG-Forum
[16]	Allgemeine, aber sehr umfassende Infos zu Energiespeicherung, Batterien etc. auf Electropedia
[17]	Buch der Synergie, von A.Khammas. Unser ZAC+-Projekt ist darin auch mit aufgelistet !!!.
[18]	Telepolis-Artikel über das Solzinc-Verfahren
[19]	Bericht/Übersicht über ein vom BMWi und BMBF gefördertes interdisziplinäres Forschungsprojekt namens "ZnPLUS" (von 2012 bis 2015) zur systematischen Evaluation möglicher Konzepte für einen großtechnischen Zink-Luft-Speicher im MWh-Bereich, unter Beteiligung verschiedener Firmen und Hochschulen.
[20]	Gizmag-Artikel über Eisen-Luft-Batterie, wiederaufladbar, bis zu 5000 Vollzyklen
[21]	ECS-Paper über wiederaufladbare Eisen-Luft-Batterie
[22] ironedison.com	Nickel-Eisen-Batterie der Fa. IronEdison
[23]	Allg. Übersicht d. elektrochemischen Prozesse und Funktionsweise.
[24]	Artikel über ZincNYX, ein kommerzielles Startup welches an einer Flow-basierten ZinK-Luft-Brennstoffzelle arbeitet (ähnliches Prinzip wie bei ZAC+)
[25]	ZincNYX Firmenseite
[26]	"Materials science aspects of zinc–air batteries: a review", Vincenzo,Caramia, Benedetto, Bozzini, 2014, Springer. Enthält detaillierte Informationen über grundlegende Materialeigenschaten beteiligter Komponenten.

Presse

Referenz	Beschreibung
[27]	Erste öffentliche Vorstellung der ZAC+ auf der Makerfaire 2013 in Hannover