DE102006035265A1

DE102006035265A1 - Wasserstoffmuskel

Info

Publication number: DE102006035265A1
Application number: DE102006035265A
Authority: DE
Inventors: Andreas Borgschulte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Vorrichtung zur direkten Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit dadurch gekennzeichnet, daß die Anziehungskraft zwischen zwei Elektroden resultierend aus einer elektrochemischen Potentialdifferenz ausgenützt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Mobilität ist eine Grundvorraussetzung unserer Gesellschaft. Diese Mobilität wird durch Maschinen gewährleistet, die chemisch oder elektisch gespeicherte Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Klassische Beispiele sind der Ottomotor und der Elektromotor. Der Ottomotor und verwandte Energiekonverter, die über den Umweg der Wärmerzeugung (z.B. Verbrennung von Kohlenwasserstoffen) mechanische Arbeit verrichten, sind aufgrund der limitierten Effizienz (max. der des Carnot-Prozesses, üblicherweise um 30%) und der hohen Schadstoffemissionen problematisch. Der Elektromotor hingegen hat eine hohe Effizienz und keine Schadstoffemissionen. Die Speicherung von elektrischer Energie (Batterien o.a.) ist im Gegensatz zu der von chemischer Energie (Benzin/Diesel/Gastanks) ein noch unbefriedigend gelöstes Problem, so daß meistens die chemische Energie in sog. Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, chemisch gespeicherte Energie direkt in mechanische Arbeit umwandelt, ohne über den Umweg der Wärmerzeugung zu gehen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wiedergegeben.
Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die direkte Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit ohne den Umweg der Wärmeerzeugung oder zusätzlicher Aggregate. Im Ausführungsbeispiel wird die chemische Energie über die Gasreaktion 2H₂ + O₂ ⇔ 2H₂O elektrochemisch in mechanische Arbeit umgewandelt. Die Vorrichtung kann bei Raumtemperatur betrieben werden, bei Wahl entsprechender Materialien sind auch höhere Temperaturen möglich. Durch die Verwendung niedriger Temperaturen sind keine Schadstoffemissionen zu erwarten. Die Leistungsregelung kann sowohl elektrisch als auch mechanisch gesteuert werden. Der H-Muskel ist das künstliche Pendant zum tierischen Muskel, er lässt daher vorzüglich in Robotern verwenden, da er ähnliche (lineare) Bewegungsformen ohne mechanische Übersetzungen erlaubt. Das Ausführungsbeispiel ist an die Speicherung von chemischer Energie in Form von Wasserstoff angepasst, andere chemische Reaktionen sind denkbar, die auch in flüssigen Medien durchgeführt werden können. Die Leistungsdichte erhöht sich bei Verwendung mikroskopischer Strukturen, so dass der H-Muskel auch als mikroskopischer Attraktor verwendet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnung 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1: die zentrale Einheit eines H-Muskels („H-Muskelfaser")
2: ,Stack' aus Muskelfasern
Eine H-Muskelfaser besteht im wesentlichen aus einem innenleitenden (H₃O⁺ oder OH^–), jedoch elekrisch nichtleitendem, elastischen Kunststoff (2), z.B. Nafion (C). Im Ausführungsbeispiel ist die Faser als dünne Folie zu verstehen, andere Geometrien sind denkbar. Der Kunststoff (2) ist auf beiden Seiten mit einer katalytischen, elektrisch leitenden Schicht beschichtet (1), (3), z.B. Pt/Graphit. Elektrode (1) wird über Zuleitungen (6a) mit Wasserstoff, Elektrode (2) mit Sauerstoff (oder Luft) begast (6b). Der geometrische Aufbau ist dem einer protonenleitenden Brennstoffzelle entlehnt. An den Elektroden wird der Wasserstoff bzw. Sauerstoff gespalten und adsorbiert. Im Falle eines protonenleitenden Kunststoff werden H₃O⁺-Ionen erzeugt, die solange von der Wasserstoffelektrode (1) zur Sauerstoffelektrode (3) wandern, bis sich ein elektrisches Feld ausgebildet hat. Das elektrische Feld resultiert aus der Potentialdifferenz der zugrundeliegenden chemischen Reaktion 2H₂ + O₂ ⇔ 2H₂O ~ ΔU = 1.23 V und erzeugt eine Kraft zwischen den Elektroden (F'), die zu einer Kompression und entsprechenden Dilatation parallel zur Folie führt (F). Ein kurzzeitiges Kurzschliessen der Elektroden über (4) lässt das Feld zusammenbrechen, ein Öffnen von (4) lässt es wieder anwachsen. Somit kann die Vorrichtung periodisch mechanische Arbeit an der Halterung (5) verrichten. Die Regelung der Kontraktionen und Elongationen lässt sich alternativ auch über den Gasstrom (periodisches Vertauschen von (6a) und (6b)) durchführen. Wesentliche Parameter zur Optimierung der Leistung sind eine möglichst kleine Dicke der Folie (naher Abstand der Elektroden) und entsprechende elektrische und mechanische Eigenschaften.
Um hohe Leistungsdichten zu ermöglichen, können die H-Muskelfasern in einem Stack gebündelt werden (siehe 2). Ein solcher H-Muskel ermöglicht Zugbewegungen, wie er z.B. in Robotern o.a. benötigt wird. Um auch Drehbewegungen durchführen zu können, muss der H-Muskel mechanisch an einen Excenter gekoppelt werden. Gleichzeitig kann das elektrische Kurzschliessen durch Kontakte am Excenter phasenrichtig geregelt werden (ähnlich den Ventilen am Kolben einer Dampfmaschine).
Geschildert ist nur ein Ausführungsbeispiel. Alternativen ergeben sich insbesondere durch die Wahl anderer Geometrien. Die Leistungsdichte erhöht sich bei Verwendung mikroskopischer Strukturen, so dass der H-Muskel auch als mikroskopischer Attraktor verwendet werden kann.
Eine weitere Möglichkeit erschliesst sich durch die Verwendung von anderen chemischen Reaktionen. Der H-Muskel beruht auf dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung aufgrund einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden. Diese lässt sich auch durch andere Reaktionen als die hier geschilderte Gasreaktion realisieren. Insbesondere die Verwendung von flüssigen Reaktanden verspricht einen grossen Anwedungsbereich.

Claims

Vorrichtung zur direkten Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit dadurch gekennzeichnet, daß die Anziehungskraft zwischen zwei Elektroden resultierend aus einer elektrochemischen Potentialdifferenz ausgenützt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine chemische Reaktion an zwei beweglichen katalytischen Elektroden stattfindet, die durch eine mechanisch deformierbare, elastische Membran elektrisch getrennt sind, jedoch Ionen ausgetauscht werden können (sog. Wasserstoffmuskelfaser). Dieser Aufbau wird nicht – wie in der Brennstoffzelle – dazu ausgenützt, elektrischen Strom zu erzeugen, sondern das aufgebaute elektrische Feld wird direkt genutzt zur Erzeugung einer Kraft, welche über die elastische Membran in eine linearen Bewegung gewandelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Element (Wasserstoffmuskelfaser) vielfach parallel geschaltet wird, um ein hohe Gesamtleistung zu erreichen (Wasserstoffmuskel).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand der Elektroden und damit die Kontrkation/Elongation des Wasserstoffmuskels sowohl elektrisch als auch mechanisch (über den Gasfluss) gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die linearre Bewegung über Excenter in Drehbewegung umgewandelt werden kann. Gleichzeitig kann an die Drehbewegung die periodische Kontraktion/Elongation des Wasserstoffmuskels gekoppelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau mikrostrukturiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl der chemischen Reaktion beliebig ist.