Zinc-Air Cell Meter (ZACmeter)

Das ZACmeter - Messung der Kapazität und Entlade-Charakteristik

Das ZACmeter ist ein Teilprojekt der Zn/O-Brennstoffzelle.

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

Hardware

Mainboard

Das ZACmeter wurde zunächst getestet auf einem als Arduino konfigurierten AVR-NetIO-Board, sowie einem originalen Arduino-Mega, aber jeder andere Arduino dürfte genausogut funktionieren.

Das AVR-NetIO Board bietet allerdings zwei Vorteile:

1. es kostet nur 20,- EUR (als Bausatz, bei Pollin, ist dort aber auch für 27,- EUR fertig gelötet erhältlich)

2. es beinhaltet bereits ein Ethernet-Interface zur Datenübertragung, bei einem Originalen Arduino benötigt man noch ein Ethernet-Shield (für rund 20,- EUR) oder muss halt die Daten sonstwie übertragen, zb. per serieller Schnittstelle.

• Der Gesamtaufbau
• 

  Der gesamte Aufbau: Vom AVR-NetIO-Board ist nicht viel zu sehen, es befindet sich unterhalb der Platine mit dem LCD und der Tastatur (welche sonst anderen Zwecken dient, aber hier der Bequemlichkeit halber zum Einsatz kam). Rechts im Bild das Mess-Interface sowie ein Batterienhalter als Spannungsquelle für erste Tests

Mess-Interface

Das Messinterface besteht aus einem kleinen Stück Lochrasterplatine, zwei Anreihklemmen, einem Lastwiderstand (z.B. 1.5 Ohm), sowie einem Mosfet. Hier wurde ein BUZ11 verwendet, empfehlenswerter wäre allerdings ein logic level type mit niedrigerer Ugs, wie zB. der IRFZ44N.

Aufgrund der Anreihklemmen ist der Lastwiderstand variabel austauschbar gegen andere Größen und auch verschiedene Spannungsquellen können flexibel angeklemmt werden.

• Schaltplan Mess-Interface
• 

  Der Schaltplan. Am Arduino werden zwei analoge Eingänge sowie ein digitaler Ausgang benötigt und GND.

• Hardware Mess-Interface
• 

  Das Mess-Interface von oben

• 

  Das Mess-Interface von unten. Die Verdrahtung wurde einfach mit etwas Lötzinn realisiert.

Software

Im Falle des AVR-NetIO wird als Erweiterung der Arduino-IDE 1.0.1 die Anpaasungssoftware "AVR-Netino" benötigt (einfach in die entsprechenden Verzeichnisse der Arduino-IDE kopieren und dann kann man das NetIO als Arduino benutzen). Erhältlich unter:[1]

Das ZACmeter-Anwendungsprogram (download Github-Repository ) selbst kann in der Arduino-IDE dann bearbeitet und in den Arduino hochgeladen werden.

Die Software arbeitet wie folgt:

Zunächst wird in einer Dauerschleife einfach nur die Batteriespannung gemessen und auf dem LCD angezeigt.

• Messung der Leerlaufspannung
• 

  Zunächst wird nur die Leerlaufspannung angezeigt.

Auf einen Tastendruck hin wird über einen digitalen Ausgang vom Arduino der Mosfet durchgeschaltet und somit der Entladungsvorgang über den Lastwiderstand gestartet.

Über die beiden Analogeingänge wird nun die Klemmspannung über dem Lastwiderstand (abzüglich der minimalen Spannung über dem Mosfet-Widerstand zwischen Drain und Source) gemessen und daraus die Stromstärke (in mA) bestimmt. Der Messvorgang wird in einem Intervall von zwei Sekunden wiederholt und die jeweils ermittelte Strommenge (oder Leistungsmenge) für diesen Zeitraum aufaddiert zur Gesamt-Kapazität in mAh oder Gesamt-Leistunng in mWh.

Dieses erfolgt solange bis entweder die zu testende Spannungsquelle komplett entladen ist (Tiefentladung) oder aber, im Falle das man den Akku gerne noch weiter verwenden möchte, solange bis eine vorgegbene Entlade-Endspannung erreicht ist (bei einem NimH Akku beträgt diese beispielsweise 0.95V). Danach wird der Mosfet wieder geöffnet und damit die Entladung unterbrochen und es wird wieder wie zu Beginn die Leerlaufspannung gemssen bzw. angezeigt.

• Messung des Entladestroms
• 

  Der Entladevorgang, mit Anzeige der Spannung, des fliessenden Stroms, der bislang aufaddierten Kapazität sowie der bisherigen Zeit bzw. Entladungsdauer.

Die jeweiligen Messwerte werden zum einen auf dem LCD angezeigt, zum anderen aber auch auf einem im Programm enthaltenen (und quasi parallel mitlaufenden) "Minimal-Webserver" angezeigt.

D.h., sobald über das Ethernet-Interface und somit über das angeschlossene LAN eine Anfrage per Webbrowser erfolgt, wird eine dynamisch generierte Webseite mit den Messwerten ausgegeben. Somit lassen sich die Messwerte recht einfach über das Lan z.B. von einem Desktop-PC aus mitloggen. Im vorliegenden Fall wird dazu ein per Crontab minütlich aufgerufenes Script getriggert, welches per wget die Messwerte vom Arduino abholt und in einer lokalen Datenbank (hier kommt eine Ring-Datenbank namens "rrdtool" zum Einsatz) ablegt. Alle 2 Minuten wird daraus dann die Kurvengrafik erstellt, welche in einer lokalen Webseite eigebunden ist, die sich mittels <meta http-equiv='refresh' content='4'> alle 4 Minuten wieder selbst aufruft und refresht, man kann also sehr schön und bequem den Verlauf der Messung und die Aufzeichnung der Messkurve vom lokalen Desktop-Rechner im Webbrowser beobachten.

Natürlich geht es auch einfacher, indem man an den Arduino eine SD-Karte anklemmt und die Messwerte dort fortlaufend in einer Datei einträgt, aus welcher wiederum später manuell die Kurvengrafik erzeugt werden kann. Aber eine Live-Messung via Lan ist natürlich etwas komfortabler.

Vergleichs-Tests mit einer kommerziellen Mignon Batterie

• Messung einer Batterie
• 

  Zum testen des ZACmeters wurde hier die Entladungskurve einer Batterie "TopCraft Ultra" aufgezeichnet - und zwar bis zum bitteren Ende (da die Batterie eh anschliessend entsorgt wird), man sieht sehr schön, wie nach 104 Minuten die Spannung plötzlich drastisch bis auf 0.18V einbricht und der Stromfluss von vorher rund 600 mA auf 50 mA sinkt. Erreicht bzw. entladen wurden in dieser Zeit 1041 mWh.

Vergleichs-Test mit einem kommerziellen Mignon NiMH-Akku

Hier noch eine Testmessung, diesmal an einem NiMh-Akku.

• Messung eines NiMh-Akkus
• 

  Test eines Marken-Akkus "Varta Longlife Accu". Damit der Akku nicht dauerhaft geschädigt wird, wurde hier die Entladung bei einer Entlade-Endspanung von 0.95 V gestoppt und anschliessend wieder auf Leerlaufspannung gesetzt. Bis dahin wurde binnen 48 Minuten eine Leistung von 508 mWh entnommen.

Vergleichs-Test mit dem Kathodentester

• Messung des ZAC Kathodentesters
• 

  Hier die Charakterisierung bzw. Messkurve unseres Kathodentesters, d.h., gemessen unter genau den gleichen Bedingungen wie bei Batterie und dem NiMH-Akku. Genau wie beim Akku wurde hier das Erreichen einer Entlade-Endspannung von 0.95V gestoppt. Der Test hätte natürlich noch weiter laufen können, da die Zelle anders als der Akku nicht zerstört werden kann, es wäre einfach nur irgendwann das ganze Zink aufgebraucht. Aber eine "definierte" Endspannung von 0.95V ist ein guter Wert im Hinblick auf viele Anwendungen aund ausserdem ist somit ist die Messung auch besser vergleichbar. Wie beim Akku weist auch hier die Entladekurve einen sehr flachen, fast waagerechten Verlauf auf, hält aber Im Unterschied dazu wesentlich länger durch, hier waren es gerade 3h 25 min. und während dieser Zeit wurden 2871 mWh an Leistung freigesetzt - ein sehr guter Wert, zumal am Ende der Messung die Zinkplatte noch weitgehend intakt war und somit vielleicht noch weitere Messungen bzw. Energiegewinnung erlaubt.

• Nachgeschobener Lauf nach Elektrolytwechsel
• 

  Hier ein nachgeschobener Lauf, d.h., direkt im Anschluss an den vorangegangenen Testlauf wurde die Elektryolyt-Flüssigkeit entfernt, dann gut gespült mit Wasser und dann frischer Elektrolyt nachgefüllt. Anfangs lag die Spannung bei rund 0.99V, was befürchten liess das dieser Lauf nicht lange dauern würde, aber dann stieg die Spannung wieder etwas auf knapp über 1V und blieb dort längere Zeit stabil für rund 1h 48min. In dieser Zeit konnten dann nochmals weitere 1184mWh an Leistung der Zelle entnommen werden.

Insgesamt wurden der Zelle somit in zwei Testläufen 4055 mWh entnommen. Dabei wurde ein Zinkmenge von rund 10g "verbrannnt".

Hochgerechnet auf 1Kg Zink ergäbe sich somit eine Energieausbeute von 400 Wh/Kg. Das ist ein sehr guter Wert für unsere Verhältnisse. In der Literatur findet man Angaben von etwa 200 Wh/Kg bei älteren Papers bis zu etwa 600 Wh/Kg aus aktuellen, kommerziellen Projekten. Wir liegen damit gut im Mittelfeld. Das theoretische, also d.h., rein rechnerische Maximum (welches in der Praxis nie erreicht werden kann, aber wenn man nun wirklich alle Zink-Atome rechnerisch zugrunde legt und dabei pro Atom 2 Elektronen veranschlagt) liegt bei etwa 1.3 KWh/Kg, siehe dazu auch ZAC-Energiedichte. Es ist also noch genügend Luft nach oben für Optimierungen.

Simulation einer Elektrolyt-Spülung

Diese Versuchsreihe bestand aus insgesamt 4 Läufen, wobei nach jedem Lauf der Elektrolyt ausgetauscht bzw. erneuert wurde. Die Zinkanode hingegen wurde so belassen wie sie war und im jeweils anschliessenden Lauf weiter verbrannt.

Dabei wurde folgende Strommengen erzeugt:

1. Lauf: 2500 mWh in 187 min (==> 13,37 mWh/min)

2. Lauf: 1430 mWh in 125 min (==> 11,35 mWh/min)

3. Lauf: 2286 mWh in 196 min (==> 11,66 mWh/min)

4. Lauf: 2850 mWh in 245 min (==> 11,59 mWh/min)

Summe: 9066mWh in 12h35min

Konkret wurde dabei also im Verlauf von 12h35min ein Stück Zink verbrannt, das zu Beginn noch 22g gewogen hat. Davon ist ein korrodiertes Reststück von 7g übriggeblieben, d.h., 15g verbrannt. Dabei wurden insgesamt 9066 mWh Strom erzeugt, also rund 9 Wh.

9Wh aus 15g Zink, das ergibt hochgerechnet eine Energiedichte von 600 Wh/Kg.

Das wäre denn schon ein recht ordentlicher Wert und eine deutliche Steigerung gegenüber den bisher erreichten 400Wh/Kg. Ausserdem wären es ungefähr 50% dessen, was theoretisch überhaupt möglich ist - es gibt also weiterhin noch etwas Potential für Optimierungen.

An Elektrolyt wurden insgesamt 150mL 6-molarer KOH verbraucht.

D.h. wenn man 150 mL braucht um 9Wh zu erzeugen, dann wären das 16,67L für 1KWh.

Der Versuch deutet darufhin, das tatsächlich die Sättigung des Elektrolyten mit ZnO entweder der entscheidende, oder zumindest ein wichtiger Faktor ist, der während eines Laufes dafür sorgt, dass am Ende die Spannung abfällt. Andere theoretische Möglichkeiten wären z.B. ein "absaufen" der Gaskathode, Kurzschlüsse durch abgesunkene Zinkat-Bröckchen (Verschlammung) oder, wie im letzten Versuch, eine Korrosion der Lötverbindung des am Kathodengitter festgelöteten Stromabgriff-Kontaktes. Diesmal ist der Kontakt drangeblieben, allerdings war dann irgendwann die Zinkanode dermassen korrodiert, dass die ebenfalls aus Zink bestehende Abriffskontakt-Lasche im unteren Bereich komplett durchgefressen war und somit kein 5. Lauf mehr möglich war.

Desweiteren liess sich sehr gut beobachten, dass die Korrosion klar und eindeutig von oben nach unten erfolgt, dh., vom oberen Rand der Zinkplatte her. Vielleicht hat das was damit zu tun, dass in diese Richtung ja der ganze Strom abfliesst, aber es könnte eher noch ein Hinweis darauf sein, dass sich innerhalb des Volumens vom Elektrolyten eine Schichtung einstellt, bei welcher sich im unteren Bereich das gelöste Zinkoxid., d.h., die Zinkat-Ionen vermehrt ansammeln bzw. konzentrieren, während im oberen Bereich der Elektrolyt noch relativ "clean" ist und sich von daher mehr Korrosion bzw. Verbrennung abspielen kann.

Das würde bedeuten, dass bei einer Trennung im ZnO-Recycler mechanische Gewichts- und Schichtungs-basierte Konzepte, und sei es nur als grobe "Vor-Trennung", durchaus Sinn machen würden, ein Beispiel dafür wäre ein Hydrozyklon, siehe auch ZnO-Recycler.

Hier noch zwei Bilder zu dem Versuch.

Zink-Anode vorher (noch schön blitziblank ;) )

Und nachher:

Man sieht gut, wie ordentlich was weggefressen, respektive verbrannt wurde und man kann sich gut ausmalen, das wahrscheinlich nochmehr Zink verbrannt worden wäre, wenn nicht die Kontaktlasche durchgefressen worden wäre.

D.h., die 600Wh/Kg sind vermutlich noch nicht das Ende der Fahnenstange, sondern man muss einfach nur dafür sorgen, dass das Zink möglichst vollständig verbrannt werden kann, dann kann man diesen Wert noch steigern.

Vergleich verschiedener Gaskathoden

[Achtung, ab hier noch Baustelle !!!)] test

So, ich hab grad mal ein neues Experiment mit meiner Zelle angestartet. Dabei gehts um die Charakterisierung bzw. Aufzeichnung einer Kennlinie bei Erstinbetriebnahme einer neuen Gaskathode, von einem anderen Hersteller. Das erlaubt einen direkten Vergleich zwischen verschiedenen Gaskathoden.

test pic157

Das Teil ist bis jetzt 157 Minuten gelaufen und hat dabei 1877 mWh erzeugt, bei rund 1.03V und ca. 675mA.

Jup, die Quantumsphere-Kathode hat gerade die 3h25min-Marke passiert und liegt noch knapp über 1V, das war der Zeitpunkt, an dem die Gaskatel-Kathode just auf 0.95V abgefallen war und die Messung damit beendet war. Allerdings hatte letztere in diesem Zeitraum schon rund 2800mWh produziert während diese hier nur 2400mWh im gleichen Zeitraum erreicht hat. Aber dafür fällt wie gesagt die Spannung langsamer ... mal schauen wie lang sie noch läuft bis zur "Unterspannungsabschaltung" „wink“-Emoticon

pic_205

Hier ein Bild vom Messaufbau, die Zelle. Man beachte die schicke 3D-gedruckte Halterung: das sind upgecycelte Fehldrucke aus meiner ABS-Schrott-Kramkist

pic_closup_messaufbau

Hier der gesamte Aufbau mit Messvorrichtung. Das Bild wurde kurz vor dem Start der Messung aufgenommen und demzufolge zeigt das Display noch die Leerlaufspannung von 1.36V. Oben in der Ecke sieht man noch eine zweite Zelle, die bereits für die Messung vorbereitet ist, und eine Gaskathode von einem dritten Hersteller (Electric Fuel) eingebaut hat. Die will ich auch noch in gleicher Weise charakterisieren, wenn ich mitr der aktuellen Zelle fertig bin.

pic_survey_messaufbau

So, die Klappe ist gefallen. Das Experiment lief von 15:28 bis 19:52 und somit über 264min. In dieser Zeit wurden 3073mWh erzeugt, das macht 11,64mWh/min. (Zum Vergleich mit Gaskatel: 2871mWH in 205min ==> 14,00mWh/min). hmm, das wären demnach 698,4mWh pro Stunde, entspricht also einer Nennleistung von rund 0.7W. (Bei Gaskatel: 0.84W).

pic_264

So, damit wäre der Jungfernflug beendet. Aber jetzt kommt der spannende Teil, nämlich eine Langzeitmessung mit simulierter Elektrolytspüling zur Bestimmung einer gegebenen Energiedichte. Dabei wird der Elektrolyt nach Erreichen der Unterspannungsabschaltung immer wieder gegen frischen ausgetauscht und dann geht der Spass weiter bis zu einem vorläufigen Ende, was meist dadurch eingeläutet wird, dass die Kontakt-Lasche der Zinkanode verdaut wurde bzw. durchgefressen ist. Ich hab aber diesmal die Lasche etwas breiter gemacht vielleicht kommen wir damit etwas weiter, mal schauen. Jedenfalls wird am Ende die korrodierte Anode wieder gewogen, und aus der Gewichtsdifferenz und der zwischenzeitlich abgegebenen Energiemenge die Energiedichte ausgerechnet.

So, der zweite Lauf nach Elektrolytaustausch hat jetzt immerhin für 2h gereicht, etwas mehr als damals bei der Gaskatel. Bin gespannt wie es weitergeht, denn damals war es so, das sich dieser Zeitraum bei weiteren Spülungsläufen noch deutlich verlängerte. Vielleicht weil mit der Zeit die Zinkoberfläche stärker korrodiert und irgendwie mehr Angriffsfläche bietet. Na, mal sehen, ob es mit der QS-Kathode auch so ist. Insgesamt wurden bis jetzt jedenfalls schon mal 4301mWh Strom produziert. ... ich geh denn mal wieder spülen, d.h., ich muss glaubich erstmal noch ein bischen Elektrolyt anrühren

pic_spülsim_closeup

So, das Experiment ist beendet und die Sampledaten sind im Kasten „wink“-Emoticon Insgesamt erstreckte es sich über 28 Stunden in denen mit 5 mal Elektrolyt nachfüllen 6 Läufe in rund 17 Stunden netto absolviert wurden. Dabei wurden 10866mWh an Strom erzeugt. Auch konnte ich ein paar neue wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf die Konzentrationsschichtung gewinnen. Das gleiche Experiment muss jetzt noch mit der dritten Kathode vom Hersteller ElectricFuel durchgeführt werden, aber mir ist just das Kaliumhydroxid ausgegangen „wink“-Emoticon Neues KOH ist aber schon bestellt und unterwegs.

pic_spülsim_survey

Die Energiedichte hab ich noch nicht bestimmt, dazu muss ich erst die Zelle zerlegen und den Rest vom Zink wiegen. Aber wie man auf dem Foto sehen kann hat die Zelle schon einiges an Zink verdaut. Das Loch entspricht in Größe und Ausdehnung grob der dahinterliegenden Fläche der Gaskathode. Sieht eigentlich schon fast ästhetisch aus, so ein bischen wie eine globale Karte mit den Erdteilen „wink“-Emoticon Vielleicht kann man das ja bei eBay versteigern, so wie diese Toasts mit den Jesus- oder Mariengesichtern drau

http://makeable.de/mlab/makeable/wordpress/wp-content/uploads/2015/11/pic1.jpg pic_anode_post