DE7200036U - Implantierbare brennstoffzelle - Google Patents

Description

Implantierbare Brennstoffzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine implantierbare Brennstoffzelle, insbesondere zum Betrieb von Herzschrittmachern, künstlichen Herzen od.dgl., bei der als Betriebsstoffe eine oxydierbare Körpersub^tanz, vorzugsweise Glucose, sowie Sauerstoff aus der Körperflüssigkeit verwendet sind.

Der Betrieb derartiger Brennstoffzellen ist mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Der Grund für diese Schwierigkeiten ist darin zu sehen, daß der Brennstoff, z.B. Glucose, -owie der weitere Betriebsstoff Sauerstoff in der Körperflüssigkeit jeweils miteinander vermischt vorliegen. Es sind zwar Katalysatoren, z.B. Kohle, bekannt, die Sauerstoff in Gegenwart von Brennstoffen selektiv umsetzen können; Elektroden, an denen Brennstoffe in Gegenwart von Sauerstoff selektiv reagieren, sind hingegen nicht bekannt. Durch die gleichzeitige Umsetzung von Brennstoff und Sauerstoff an der Brennstoffelektrode entsteht ein chemischer Kurzschluß, der schon nach relativ kurzer

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Betriebsdauer eine nicht unerhebliche Leistungsminderung sowie Absenkung des V/irkungsgrades (wegen des erhöhten Betriebsstoff-Verbrauches) der Zelle hervorruft.

Aufgabe dor Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein chemischer Kurzschluß praktisch nicht auftreten kann und welche infolgedessen bei erhöhter Leistung einen besseren Wirkungsgrad aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellen-Brennstoff elektrode sowie eine oder mehrere selektive Sauerstoff elektroden räumlich zueinander so angeordnet sind, daß das

: im Betriebszustand aus der Körperflüssigkeit in die Zelle eindiffundierende Betriebsstoffgemisch im wesentlichen zuerst der

j jeweiligen Sauerstoffelektrode und anschließend der Brennstoff-

elektrode zugeleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung w.i. dem in die Zelle eindiffundierenden Betriebsstoffgemisch an den Sauerstoffe]ektrc- } den zuerst der Sauerstoff entsogen. Der zur an sich unselekti-

; ven Brennstoffelektrode gelangende Brennstoff ist demnach prak-

; tisch sauerstoffrei und die Gefahr eines chemischen Kurzschlusses ist somit weitgehend gebannt.

Zum Zwecke des Sauerstoffentsuges kann das in die Zelle eindiffundierende Betriebsstoffgemisch die jeweilige, in den Diffu-'ßionsweg eingeschaltete Sauerstoffelektrode umspülen. Eine günstigere Ausführung ergibt sich jedoch, wenn die Brennstoffelektrode durch eine oder mehrere für den Brennstoff durchlässige

selektive Sauerstoffelektroden zur Körperflüssigkeit hin im wesentlichen abgeschirmt ist. Bei solchen "porösen" Elektroden ist der Sauerstoffentzug optimal.

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Eine ausreichend gute Abschirmung erhält man, wenn bei einer verhältnismäßig großflächigen, ebenen Brennstoffelektrode d^riri eine Fläche durch eine für dem Brennstoff durchlässige Sauerstoff elektrode und andere Fläche durch eine für das Brennstoffgemisch undurchlässige Abdeckung, z.B. aus Plexiglas, abgedeckt wird. Die Leistung der Zelle kann jedoch zusätzlich erhöht v/erden, wenn beide Flächen der Elektrode durch eine für den Brennstoff durchlässige selektive Sauerstoffelektrode abgeschirmt sind. Der Abstand zwischen der Brennstoffelektrode sowie der jeweiligen Sauerstoffelektrode soll im yum-Bereich liegen, vorzugsweise zu 20 /um gewählt sein.

Zur Abtrennung der einzelnen Elektroden untereinander sowie zur Körperflüssigkeit hin v/erden zweckmäßig für Eiweißstoffe, Blutkörperchen etc. undurchlässige Trennwände aus hydrophilem Material verwendet, wobei die Elektroden vorzugsweise in das hydrophile Material eingegossen sind.

Als hydrophiles Material kann Zellulose oder vernetzter Polyvinylalkohol verwendet werden. Vorzugsweise besteht jedoch das Material aus einem schwach sauren, negativ geladenen Ionenaustauscher, z.B. einem Metacrylsäure-Kationenaustauscher. Ein solcher Ionenaustauscher verhindert aufgrund seiner großen Pufferkapazität (vorzugsweise im Bereich' zwischen pH5und pH 8) eine allzu starke Verschiebung des pH-Wertes in der Umgebung der Elektroden und damit eine für den Wirkungsgrad der Zelle ungünstige Polarisation der Elektroden. Ein negativ geladener Ionenaustauscher behindert gleichzeitig den Zutritt negativ geladener Teilchen der Körperflüssigkeit, wie z.B. Eiweißstoffe und Blutkörperchen, zu den Elektroden, wodurch einer Vergiftung der Elektroden vorgebeugt wird. Die Gefahr einer Koagulation der Blutkörperchen an den Elektroden bzw, an den Trennwänden ist außerdem weitgehend, gebannt.

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Weitere Vorteile der Erfindung v;erden anhand von drei Figuren, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, im folgenden näher erläutert:

Im Ausführungsceispiel gemäß Fig. 1 besteht die Brennstoffzelle aus zwei zueinander parallelen, ebenen, selektiven Sauerstoff elektroden 1, 2 sowie einer zwischen den Sauerstoffelektroden angeordneten ebenen Brennstoffelektrode 3.

Die Sauerstoffelektroden 1, 2 sind für den Brennstoff (Glucose) durchlässig. Sie bestehen dabei aus einem Silbernets mit aufgebrachter Kohle als Katalysator. Das Silbernetz v/eist bei ca. 0,04 mm Drahtstärke etwa 1000 Maschen/cm auf. Die gesamte Dicke jeder Sauerstoffelektrode 1, 2 liegt in der Größenordnung von 0,04 bis 0,1 ram, die Fläche der jeweiligen Elektrode

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beträgt 6,3 cm .

Als Brennstoffelektrode 3 ist ein Platinnetz mit aufgebrachtem Platinschwarz mit einer Dicke von ca. 0,1 bis 0,2 mm verwendet.

ρ Die Fläche der Brennstoffelektrode 1 beträgt ebenfalls 6,3 cm

Die Elektroden 1, 2 und 3 sind in einem Ionenaustauscher 4, vorzugsweise einem Kationenaustauscher, eingebettet. Zur innigen Vermischung des Ionenaustauschers mit den Katalysatoren bzw. zum dichten Ausfüllen des Mikroporensysterns des Katalysators mit dem Austauscher kann dabei der Ionenaustauscher zweckmäßig in flüssiger Form (z.B. durch Lösung eines unvernetzten copolymeren Austauschers in einem organischen Lösungsmittel) mit der jeweiligen Elektrode in Verbindung gebracht v/erden. Eine andere Möglichkeit besteht in der nachträglichen Vernetzung von Polyelektrolyten, beispielsweise durch Ausbildung von Esterbindungen, wie z.B. bei der Vernetzung von Polyacrylsäure mit Glycerin oder Polyvinylalkohol oder durch Vernetzung

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von Phenolsulfonsäure mit Formaldehyd oder von Polyäthyleniinin mit Epichlorhydrin oder durch Hauptvalenzverknüpfung, z.B. von Methacrylsäure mit Divinylbenzol.

Die jeweiligen Elektroden 1 bis 5 sind an einen Belastungswiderstand 5 anschließbar zur Energieabnähme im Betriebszustand der Zelle. Die Energie kann in der Praxis beispielsweise zum Betrieb eines Herzschrittmachers oder eines künstlicnen Herzens verwendet v/erden.

Die Fig. 2 zeigt (im Längsschnitt) ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zelle, bei der eine einzige selektive und für den Brennstoff durchlässige Sauerstoffele.^- trode 1 sowie eine Brennstoffelektrode 3 (eingebettet wiederum in einen Kationenaustauscher 4) in einem Gehäuse 6 aus Plexiglas mit einer Zuführöffnung 7 für das Brennstoffgemisch angeordnet sind so, daß die Sauerstoffelektrode 1 die Brennstoffelektrode 3 zur Zuführöffnung 7 hin abdeckt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 (Längsschnitt) ist eine Elektrodenforniation 1, 2, 3 entsprechend der Fig. 1 in einem Gehäuse 8 aus Plexiglas angeordnet. Das Gehäuse 8 v/eist auf der Seite der Sauerstoffelektroden 1 bzw. 2 je eine Zuführöffnung 9 bzw. 10 für das Betriebsstoffgemisch auf.

Die Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 1 bis 3 ergibt sich wie folgt:

Eine Zelle gemäß Fig. 1, 2 oder 3 wird an einer geeigneten Stelle im Körper des Patienten implantiert.

Inr Betriebszustand diffundiert das Betriebsstoffgemisch (Glucose und Sauerstoff in gelöster Form) in die Zelle ein. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 von allen Seiten, im Ausführungs-

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beispiel gemäß Fig. 2 lediglich durch die Zuführöffnung 7 und im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sowohl durch die Öffnung als auch durch die Öffnung 10.

Durch die gewählte räumliche .Anordnung der einzelnen Elektroden gelangt das Betriebsstoffgemisch im wesentlichen zuerst zu den Sauerstoffelektroden, wo dem Gemisch der Sauerstoff entzogen wird. Anschließend gelangt zu der Brennstoffelektrode 3 praktisch nur noch der Brennstoff, d.h. Glucose. Ein chemischer Kurzschluß wird dadurch vermieden.

Versuche in der Praxis haben gezeigt, daß sich mit den Zellen gemäß der'Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 3 ohne weiteres Zellenspannungen in der Größenordnung von mindestens 0,4 V erreichen lassen. Bei einem gemessene : '.'/crom /on 200 bis 250/uA ergibt sich eine Leistung von 80 bis 100/uWatt. Dauerversuche haben gezeigt, daß sich diese leistung über lange Zeit konstant aufrechterhalten läßt. Die Leistung von 80 bis 100 /uW reicht bereits für den Betrieb eines Herzschrittmachers aus. Werden höhere Leistungen gefordert, z.B. zum Betrieb von künstlichen Herzen, so muß entsprechend eine Vielzahl von Zellen verwendet v/erden.

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Claims (16)

nsprüche

1. Implantierbare Brennstoffselle, insbesondere zum Betrieb von Hersschrittmachern, künstlichen Herzen od.dgl., bei der als Betriebsstoffe eine oxydierbare Eörpersubstan",, vorzugsweise Glucose, sowie Sauerstoff aus der Körperflüssigkeit verv/endet sind, dadurch gekennzeichnet, daß u.ie Zellen-Brennstoff elektrode (3) sowie eine oder mehrere selektive Sauerstoffelektroden (Ϊ, 2) räumlich zueinander so angeordnet sind, daß das im Betriebszustand aus der Körperflüssigkeit in die Zelle eindiffundierende Betriebsstoffge-Kisch im v/esentlichen zuerst der jeweiligen Sauerstoffelektrode (1 bzw. 2) und anschließend der Brennstoffelektrode (3) Eugeleitet wird.

2. 3re;ir>.stoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelektrode (3) durch eine oder iuehrere für

j den Brennstoff durchlässige selektive Sauerstoffelektroden (1,2)

Eur Körperflüssigkeit hin im v/esentlichen abgeschirmt ist.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer verhältnismäßig großflächigen, ebenen Brennstoffelektrode (3) deren eine Fläche durch eine für den Brennstoff durchlässige Saue^stoffelektrode (1) und deren andere Fläche durch eine für das Brennstoffgemisch undurchlässige Abdeckung (z.B. 6), z.B. aus Plexiglas, abgeschirmt ist.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer verhältnismäßig großflächig nen Brennstoffelektrode (3) beide Flächen der Elektrode Qmjn eine für den Brennstoff durchlässige selektive Sauerstoffelektrode (1 und 2) abgeschirmt sind.

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5. Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Brennstoffelektrode sowie der jeweiligen Sauerstoffelektrode im /um-Bereich liegt. vorzugsweise zu 20 /um gev;älilt ist.

6. Breniistcff zelle nach einem der . jisprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden untereinander sov/ie zur Korperflüssigkeit hin durch für Eiweißstoffe, Blutkörperchen etc. undurchlässige Trennwände aur hydrophilem Material (4) abgetrrnnt sind.

7. Brennstoffseile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in das hydrophile Material (4) eingegossen sind.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als hydrophiles Material (4) Zellulose oder vernetzter Polyvinylalkohol verwendet ist.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekernzeichnet, daß als hydrophiles Material (4) ein Ionenaustauscher, vorzugsweise ein schwach saurer Kationenaustauscher, verwendet ist.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenaustauscher mit einer Pufferkapazität im Bereich zwischen pH 5 und pH 8 verwendet ist.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Methacrylsäure-Ionenaustauscher verwendet ist.

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12. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Innern eines ZeI-lengenauses (ό odex· ö) nua füi aas LJrciuiütuff gemisch uncurc^- lässigem Material, z.B. Plexiglas, mit Zufübröffnungen (7 bzw. 9, 10) für da::; Brennrtoffgemisch derart angeordnet sind, daß die Sauerstoffelektroden die Brennstoffelektrode zur jeweiligen Zuführöffnurig hin abdecken.

13· Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoffelektrode (3) ein PIatinnetz mit aufgebrachtem Platinschwarz als Katalysator verwendet ist.

14. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffelektrode (1 bzw. 2) aus einem Gold- oder Silbernetz mit aufgebrachter Kohle als Katalysator gefertigt ist.

15. Brennstoffzelle nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Elektroden (1, 2, 3) jeweils ca. 6 bis 7 cm beträgt.

16. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Brennstoffelektrode (3) in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 und die Dicke der jeweiligen Sauerstoff elektrode (1 bzv/. 2) in der Größenordnung von 0,04 bis 0,1 mm liegt.

17· Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, daß das Silbe.rnetz bei ca. 0,04 mm

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Drahtstärke ca. 1000 Maschen pro cm aufweist.

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