Elektrische Energiequelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Energiequelle, die

insbesondere in Form einer Batterie ausgeführt sein kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der elektrischen Energiequelle zur elektrischen Energieversorgung einer internetfähigen Vorrichtung.

Stand der Technik

Im Rahmen des Internets der Dienste und Dinge setzt eine boomende

Entwicklung stromnetzferner Applikationen ein. Um deren elektrische

Energieversorgung sicherzustellen, werden Energiequellen benötigt, die lediglich geringe Leistungen zwischen 0,01 mW und 10 mW benötigen. Diese Leistung wird aber kontinuierlich abgerufen. Für eine lange Laufzeit bei gleichzeitig geringen Geräteabmessungen ist daher eine hohe Energiedichte notwendig. Diese sollte mehr als 4 kWh/1 betragen. Deshalb wird ein Leistungs- zu

Energiedichteverhältnis von 1:100 bis 1:100.000 angestrebt, um die Batterien idealerweise über die Produktlebensdauer nicht austauschen zu müssen.

Auch für viele am Körper getragene elektronische Geräte wird aus ästhetischen Gründen eine Miniaturisierung gewünscht. Diese geht allerdings immer mit einer Verringerung der Gerätelaufzeit einher, was einen Komfortverlust für den Benutzer bedeutet. Diesem könnte nur durch eine höhere Energiedichte der verwendeten Energiequelle begegnet werden.

Auch für elektronische Geräte, die im menschlichen Körper zum Einsatz kommen, wie beispielsweise ein unter die Haut implantiertes

Blutzuckermessgerät, wird nach Batterien mit einem günstigeren Leistungs- zu Energiedichteverhältnis gesucht, um die Verweilzeit und damit die Akzeptanz der Geräte durch Patienten zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Die elektrische Energiequelle weist eine Brennstoffzelle und einen Speicherraum auf. Der Speicherraum enthält Aluminiumhydrid (AIH ₃ ). Aluminiumhydrid speichert in chemischer Form Wasserstoff (H ₂ ) mit einer auf den Wasserstoff bezogenen Dichte von 155 g/l, was höher ist als die Speicherdichte in

Flüssigwasserstoff von 73 g/l. Aluminiumhydrid reagiert mit Wasser (H ₂ 0) zu

Aluminiumhydroxid (AI(OH) ₃ ) und setzt dabei gemäß Formel 1 Wasserstoff frei:

AIH ₃ + 3 H ₂ 0 ^ AI(OH) ₃ + 3 H ₂ (Formel 1) An der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff auf der Kathodenseite mit anodenseitigem Sauerstoff gemäß Formel 2 zu Wasser:

2 H ₂ + 0 ₂ ^ 2 H ₂ 0 (Formel 2) An der Brennstoffzelle fällt also exakt so viel Wasser aus, wie für das Auslösen des Wasserstoffs aus dem Aluminiumhydrid notwendig ist. Hierdurch wird ein geschlossener Kreislauf erzeugt. Der Sauerstoff des Wassers wird bei der Freisetzung des Wasserstoffs im Aluminiumhydroxid eingespeichert. Die

Speicherung des für die Brennstoffzelle benötigten Wasserstoffs im

Aluminiumhydrid geschieht drucklos in Pulverform. Aluminiumhydrid besitzt keine

Einstufung als Gefahrstoff. Das Reaktionsprodukt Aluminiumhydroxid ist ein natürlich vorkommendes Mineral. Daher weist die elektrische Energiequelle eine hohe Umweltverträglichkeit auf. Bevorzugt weist die Brennstoffzelle eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Elektrolytmembran auf. Die Kathode ist dabei über einen Verbindungsraum, welcher Wasserstoff enthält, fluidisch mit dem Speicherraum verbunden. Der Verbindungsraum nimmt also aus dem Speicherraum freigesetzten Wasserstoff auf und leitet ihn an die Kathode weiter. Gleichzeitig kann in der Brennstoffzelle gebildeter Wasserdampf über den Verbindungsraum in den Speicherraum gelangen, um dort weiteren Wasserstoff aus dem Aluminiumhydroxid freizusetzen.

Die Anode ist vorzugsweise fluidisch mit einem Sauerstoffraum verbunden. Der Sauerstoff räum weist mindestens eine Öffnung auf, die mit einer entfernbaren

Abdeckung verschlossen ist. Wird die Abdeckung entfernt, so kann

Umgebungsluft, welche Sauerstoff enthält, in den Sauerstoffraum gelangen und von dort die Anode erreichen. Dadurch wird die Energieproduktion der elektrischen Energiequelle in Gang gesetzt. Eine Selbstentladung, wie sie von herkömmlichen Batterien bekannt ist, kann ausgeschlossen werden, womit eine lange Haltbarkeit der elektrischen Energiequelle vor ihrem Gebrauch garantiert wird. Durch ein erneutes Abdecken der mindestens einen Öffnung kann die Reaktion an der Brennstoffzelle wieder beendet werden. Die Brennstoffzelle und der Speicherraum sind bevorzugt in einem

Batteriegehäuse angeordnet. Dabei teilt die Kathode einen Innenraum des Batteriegehäuses so in zwei voneinander gasdicht getrennte Bereiche auf, dass der Verbindungsraum und der Speicherraum in dem ersten Bereich angeordnet sind und die Anode, die Elektrolytmembran und der Sauerstoffraum in dem zweiten Bereich angeordnet sind. Die mindestens eine Öffnung geht durch das

Batteriegehäuse hindurch. Auf diese Weise kann ohne zusätzliche Komponenten eine physikalische Trennung des Aluminiumhydrids in dem Speicherraum von dem über die mindestens eine Öffnung zugänglichen Sauerstoffraum erreicht werden.

Um die elektrische Energiequelle in für herkömmliche Batterien vorgesehen Aufnahmen einsetzen zu können, ist es bevorzugt, dass sie an einem ersten Ende einen negativen elektrischen Kontakt aufweist, der über das

Batteriegehäuse elektrisch mit der Kathode verbunden ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass sie an einem zweiten Ende, welches dem ersten Ende gegenüberliegt, einen positiven elektrischen Kontakt aufweist, der elektrisch von dem Batteriegehäuse isoliert ist. Das Batteriegehäuse kann also zur elektrischen Verbindung des negativen elektrischen Kontakts mit der Kathode genutzt werden, wobei ausgenutzt wird, dass die Kathode zur Trennung des Innenraums des Batteriegehäuses in zwei Bereiche das Batteriegehäuse sowieso kontaktieren muss. Um den positiven elektrischen Kontakt elektrisch mit der Anode zu verbinden, ist eine elektrische Verbindung vorgesehen, die durch den Sauerstoffraum verläuft. Die mindestens eine Öffnung geht vorzugsweise durch das zweite Ende der elektrischen Energiequelle hindurch. Hierdurch ist die entfernbare Abdeckung leicht zugänglich.

Die Elektrolytmembran ist vorzugsweise eine alkalische Elektrolytmembran. Dadurch fungiert die Brennstoffzelle als alkalische Brennstoffzelle, in der es zu einem Wasserausfall auf der wasserstoffseitigen Elektrode, d.h. der Kathode kommt. Bei Verwendung einer sauren Brennstoffzelle würde das Wasser an der Sauerstoffseite ausfallen, so dass es nicht zum Auslösen des Wasserstoffs aus dem Aluminiumhydrid verwendet werden könnte.

Um die Elektrolytmembran alkalisch auszurüsten, enthält sie insbesondere Kaliumhydroxid. Dies kann als Kalilauge in der Elektrolytmembran enthalten sein. Nach der Entsorgung der elektrischen Energiequelle reagiert das Kaliumhydroxid allmählich mit Kohlendioxid aus der Umgebungsluft zu Kaliumcarbonat

(Pottasche), was zu einer hohen Umweltverträglichkeit der elektrischen

Energiequelle führt.

Die Kathode und die Anode bestehen vorzugsweise aus Nickel. Dies ermöglicht eine edelmetallfreie Ausgestaltung der elektrischen Energiequelle, wobei die Brennstoffzelle als Niedrigsttemperatur-Brennstoffzelle fungiert.

Die elektrische Energiequelle ermöglicht ein Leistungs- zu

Energiedichteverhältnis, welches insbesondere ihre Verwendung zur elektrischen Energieversorgung einer internetfähigen Vorrichtung ermöglicht. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen internetfähigen Rauchmelder, ein internetfähiges

Straßenverkehrsschild oder um ein elektronisches Gerät handeln, welches eine Person direkt am Körper trägt, wie beispielsweise einen am Kopf getragenen Miniaturcomputer (z. B. Google Glass ^® ) oder ein Hörgerät.

Kurze Beschreibung der Zeich Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine

schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Energiequelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Eine elektrische Energiequelle 1 mit einem ersten Ende 11 und einem zweiten Ende 12 ist in der Figur dargestellt. Sie enthält eine Brennstoffzelle 2 und einen

Speicherraum 3, die in einem Batteriegehäuse 4 angeordnet sind. Die

Brennstoffzelle 2 umfasst eine Kathode 21, eine Anode 22 und eine

Elektrolytmembran 23, welche die Kathode 21 von der Anode 22 trennt. Die Kathode 21 und die Anode 22 bestehen jeweils aus Nickel. Die

Elektrolytmembran 23 besteht aus einem Vlies, welches mit 30 %iger Kalilauge getränkt ist. Das Batteriegehäuse 4 ist kreiszylinderförmig und weist am ersten Ende 11 der elektrischen Energiequelle 1 einen kreisförmigen negativen elektrischen Kontakt 51 und am zweiten Ende 12 einen kreisförmigen positiven elektrischen Kontakt 52 auf. Die Kathode 21 ist kreisförmig und an ihrer gesamten Umfangsfläche mit der Innenwand des Batteriegehäuses 4 verbunden.

Dadurch teilt sie den Innenraum des Batteriegehäuses 4 in einen ersten Bereich

41 und einen zweiten Bereich 42 auf. Der erste Bereich 41 enthält den

Speicherraum 3 und einen zwischen dem Speicherraum 3 und der Kathode 21 angeordneten Verbindungsraum 24, welcher mit Wasserstoff gefüllt ist. Der Speicherraum 3 enthält pulverförmiges Aluminiumhydrid. In dem zweiten Bereich

42 sind die Elektrolytmembran 23 und die Anode 22 angeordnet. Die Anode 22 ist kreisförmig, weist jedoch einen geringeren Durchmesser auf als die Kathode 21. Zwischen der Anode 22 und der Gehäuseinnenwand des Batteriegehäuses 4 am zweiten Ende 12 der elektrischen Energiequelle 1 befindet sich ein

Sauerstoffraum 25, der allerdings zunächst keinen Sauerstoff sondern eine inerte sauerstofffreie Atmosphäre enthält. Er ist am zweiten Ende 12 der elektrischen Energiequelle 1 durch das Batteriegehäuse 4 hindurch mittels zweier Öffnungen 26, 27 mit der Umgebung verbunden. Diese beiden Öffnungen 26, 27 sind zunächst mit Abdeckungen 261, 271 abgeklebt. Die Anode 22 ist mittels einer elektrischen Verbindung 53 in Form eines Drahtes mit dem positiven elektrischen Kontakt 52 verbunden. Diese elektrische Verbindung 53 verläuft durch den Sauerstoffraum 25.

Werden die Abdeckungen 261, 271 entfernt, so gelangt Umgebungsluft, welche Sauerstoff enthält, in den Sauerstoffraum 25. Dadurch gelangt Sauerstoff an die Anode 22, so dass über die Elektrolytmembran 23 eine elektrochemische Reaktion mit dem bereits im Verbindungsraum 24 befindlichen Wasserstoff erfolgen kann, welcher an die Kathode 21 gelangt. Dadurch wird elektrische Energie erzeugt, wobei negative elektrische Ladungsträger von der Kathode 21 über das Batteriegehäuse 4 an den negativen elektrischen Kontakt 51 abgeleitet werden und positive elektrische Ladungsträger von der Anode 22 über die elektrische Verbindung 53 an den positiven elektrischen Kontakt 52 abgeleitet werden. Da es sich bei der Brennstoffzelle 1 um eine alkalische Brennstoffzelle handelt, wird das bei der elektrochemischen Reaktion gemäß Formel 2 entstehende Wasser an der Kathode 21 abgeschieden. Es gelangt als

Wasserdampf durch den Verbindungsraum 24 in den Speicherraum 3. Dort reagiert es gemäß Formel 1 mit Aluminiumhydrid zu Aluminiumhydroxid und Wasserstoff. Der gasförmige Wasserstoff strömt in den Verbindungsraum 24 zurück und ersetzt dort den durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Wasserstoff. Durch das Binden des Sauerstoffs zunächst im Wasser und dann im Aluminiumhydroxid entsteht anodenseitig eine stetige

Sauerstoffpartialdruckdifferenz zur Umgebung die den Sauerstofftransport durch die Öffnungen 26, 27 in den Sauerstoffraum 25 hinein antreibt.

Wird ein elektrischer Stromkreis, in den die elektrische Energiequelle 1 eingebunden ist, unterbrochen, so wir der lonentransport durch die

Elektrolytmembran 23 unterbrochen und die elektrochemische Reaktion kommt vorübergehend zu Stillstand. Die elektrochemische Reaktion kann außerdem jederzeit unterbrochen werden, indem die Öffnungen 26, 27 wieder mit den Abdeckungen 261, 271 abgeklebt werden. Hierdurch wird die

Sauerstoffversorgung aus der Umgebungsluft in den Sauerstoffraum 25 unterbrochen, so dass die elektrochemische Reaktion zum Erliegen kommt. Wenn bei der elektrochemischen Reaktion kein Wasserdampf mehr produziert wird, endet auch die Freisetzung von Wasserstoff aus dem Speicherraum 3. Durch erneutes Entfernen der Abdeckungen 261, 271 kann die elektrische Energiequelle erneut in Betrieb genommen werden. Erst wenn das gesamte Aluminiumhydrid im Speicherraum 3 zu Aluminiumhydroxid reagiert hat, ist die elektrische Energiequelle 1 erschöpft und muss entsorgt werden. Sie enthält nun nur noch umweltlich unbedenkliche Materialien. Im Speicherraum 3 befindet sich Aluminiumhydroxid und die Elektrolytmembran 23 enthält Kaliumhydroxid, welches mit der Umgebungsluft allmählich zu Kaliumcarbonat abreagiert. Das Elektrodenmetall Nickel sowie die weiteren für das Batteriegehäuse 4, die elektrischen Kontakte 51, 52 und die elektrische Verbindung 53 verwendeten Metalle sind ebenfalls unbedenklich.

Die elektrische Energiequelle gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine volumetrische Energiedichte von 4,5 kWh/1 auf. Ihr Leistungs- zu Energiedichteverhältnis ist größer als 1:1.000. Damit ist sie dazu geeignet, um als Energiequelle zur elektrischen Energieversorgung

internetfähiger Vorrichtungen über einen langen Zeitraum verwendet zu werden.