CN104157783A - 用于能量变换器的混合膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于能量变换器（22）的混合膜，优选用于波浪能量变换器，其中该混合膜是电活性聚合物膜，并且其中混合膜具有载体膜（20）、基础膜（12）、接触膜（14）和电极涂层（16）。通过将这种混合膜使用在能量变换器（22）中可以实现在能量变换器（22）中的良好效率或功能性。
Description
技术领域
本发明涉及：用于能量变换器的混合膜，其中混合膜是电活性的聚合物膜；具有多个这种混合膜的能量变换器；能量变换器的应用；用于制造混合膜的方法和用于制造能量变换器的方法。
背景技术
在构建再生能量的过程中，例如海洋能量获得变得越来越重要。目前，在海洋能量获得中主要使用潮汐发电站或波浪发电站。此外，力图通过液压装置将直线运动转化为旋转运动，例如在海蛇号（Pelamis）的海蛇装置（Meeresschlange）中的情况。
海洋能量获得的另一概念是电活性聚合物（EAP）的应用。EAP技术的核心是多层电容器的产生，其允许直接将波浪运动形式的转换器能量转化为电能。在EAP技术中的电容器迄今以干式或湿死堆叠方法来构建。在这两种方法中，电容器分别由电极层构成，电极层通过电介质、例如聚合物来分离。电能从各个电极层中的导出借助导出电极来实现。通过所产生的堆叠的持续压缩和去压可能随着使用寿命而使得电极层至导出电极的接触变差。
这导致降低的效率或降低的功能性。
发明内容
本发明的主题是用于能量变换器的混合膜，其中该混合膜是电活性聚合物膜。
按照本发明提供一种用于能量变换器、优选波浪能量变换器的混合膜，其中混合膜是电活性聚合物膜。混合膜具有载体膜、基础膜、接触膜、和电极涂层。
载体膜这里仅仅与保护功能相关。载体膜负责：基础膜和接触膜在其上没有施加电极涂层的侧上有覆盖物，以便避免在能量变换器中的混合膜被使用之前被污染或者与其他混合膜接触。
基础膜可以以挤压过程来制造。基础膜可以由聚合物、例如硅树脂构造。
接触膜可以是导电的，以便能够传递在电极涂层上产生的电能。
混合膜的电极涂层可以由电极材料例如由银、铝、钛和/或碳（如碳纳米管和/或导电炭黑）构成，并且大面积地施加在混合膜上。由此，在能量变换器中使用多个混合膜的情况下，这些混合膜可以大面积地被其他混合膜接触上。此外，电极涂层可以施加在基础膜的与载体膜的侧相对的侧上。
此外，可以通过在能量变换器中混合膜的构造来更稳健并且同时更灵活地构建在各个混合膜之间的接触。这可以借助接触膜来实现，所述接触膜与电极涂层连接并且在能量变换器中相互连接。由此可以实现导出电极的使用，以便将在能量变换器内的各个电极层相互连接，由此可以减少在能量变换器中各个电极涂层之间的连接部位处的损耗。通过混合膜可以在能量变换器中使用多个混合膜的情况下改善该能量变换器的效率和功能性。
在混合膜的一种优选的扩展方案中，接触膜处于基础膜上，部分地印入基础膜中和/或经由涂层连接。通过这种方式，可以以简单的方式根据现有生产手段建立在接触膜和基础膜之间的连接。尤其是，根据接触膜的厚度选择将接触膜布置在基础膜上，其中接触膜的厚度小于或等于基础膜。此外，膜的布置可以与现有生产场所和/或现有原材料相匹配。
在混合膜的情况下，接触膜优选由聚合物膜、优选硅树脂构造，其中所述聚合物膜带有如下颗粒，所述颗粒选自包含铜、铝、钛的金属组或选自所述金属的合金和/或选自碳，如碳纳米管和/或导电炭黑。通过这种方式可以减小混合膜的重量，因为不必使用由金属制成的膜了。由于用于带有颗粒的聚合物膜的较小的材料成本，此外也可以降低生产成本。此外，也可以代替聚合物膜使用由金属、例如由铜或铝制成的膜。
尤其是，混合膜可以通过冲制或裁剪而以任意形状来成形。由此可以视能量变换器的类型和形状而定地将混合膜放缩和/或适配到各种堆叠大小上。
在混合膜的一种有利的扩展方案中，接触膜布置在基础膜的第一纵向侧上和/或第二纵向侧上。优选在两侧布置的接触膜的情况下，接触膜布置在基础膜的同一侧上。通过使用第二接触膜，可以通过第二接触膜的布置减少在传导性差的金属硅树脂层处的表面电阻损失。由此可以改善带有多个混合膜的能量变换器的效率并且由此改善其灵活性。
本发明还涉及带有电活性聚合物膜的能量变换器、优选波浪能量变换器，其中能量变换器具有如上所描述的多个混合膜。
通过在能量变换器中使用多个混合膜可以实现如下发电机，该发电机将重叠堆叠并且任意大小的电极面相互连接并且可以相应地将通过波浪起伏产生的机械弯曲转化为电能。
在该能量变换器中，混合膜优选重叠堆叠并且接触膜通过接合连接。
通过上述混合膜的重叠堆叠，可以以简单的方式制造能量变换器，该能量变换器与在EAP堆叠中各种电极层具有简单并且有效的接触。在此，优选使用两种不同的混合膜，其中这些混合膜具有相同的构造。在两种所使用的混合膜之间的区别是接触膜和电极涂层的材料。两种不同混合膜在此可以重叠地被堆叠，使得带有第一电极涂层和第一接触膜的第一混合膜在带有第二接触膜和第二电极涂层的第二接触膜之上堆叠，其中第一接触膜不允许处于第二接触膜之上。优选地，在使用带有单侧布置的接触膜的混合膜情况下，第一接触膜可以堆叠在第二接触膜的相对侧上。而在使用带有双侧布置的接触膜的混合膜的情况下，这些混合膜可以交叉地堆叠。电极层的接触在此通过各个混合膜的接触膜的连接来实现，其中可以取消导出电极的使用。由此可以减小在EAP堆叠的各个电极层之间在连接部位中的损耗。由此可以生产更稳健并且同时更灵活的能量变换器。此外，可以通过使用多个混合膜来改善能量变换器的效率和灵活性。
概念“接合”在这里表示在制造技术中使用的、至少两个部件的持续连接的上位概念。通过接合局部地、也即在接合部位实现在先前分离的工件之间的结合并且引起新形成的部件的形状改变。该连接在此可以是固定的或者可运动的形态。通过该连接的作用面来传输出现的驱动力。
能量变换器可以基于多个混合膜的相互堆叠而被放缩并且被适配到各种堆叠大小上。此外，用于能量变换器的任意形状的混合膜可以例如通过冲制或裁剪而成为任意形状。由此，可以制造针对需求的能量变换器。在能量变换器中的接触膜的接合例如可以通过超声波焊接、激光焊接、阻焊、钎焊和/或粘接来实现。因此以简单的方式使用针对接触膜接合的可能存在的生产场所。
本发明还涉及上面描述的能量变换器、优选波浪能量变换器在用于将机械波浪能转化为电能的发电机中的应用。该发电机在此可以具有发电机电路、供给电池、中间电容器和控制单元，其中控制单元可以根据波浪起伏将电荷传输给中间电容器和/或对充电电池充电和/或将负载馈送到供电电网中。然而为了将能量馈送到供电电网中，可能需要另外的电子电路例如变频器，其同样可以具有在中间回路中的中间电容。变频器可以将波浪起伏的低频转移到电网频率（例如50Hz或60Hz）。因此能够实现用于将机械波浪能转化为电能的发电机，该发电机由于本发明的能量变换器而具有高效率。由此，可以以简单的方式借助能量变换器将在海洋能量获得中的再生电能馈送到可充电的能量载体、例如充电电池中或馈送到供电电网中。此外，可以借助波浪能量变换器来运行波浪能量设备，其带有多个波浪能量变换器，这些波浪能量变换器可以作为波浪跟踪器工作并且可以分布到具有相应高的波浪起伏的大海洋面上并且它们单个地跟随波浪的运动。这种波浪跟踪器也被称为“点吸收器（Point Absorber）”。此外，本发明涉及所述能量变换器在执行器（激励器、变换器、驱动元件）中的用于将电能转化为机械能的使用。
本发明此外还涉及用于制造上述方式的混合膜的方法，具有步骤：提供载体膜，布置基础膜，布置接触膜，以及布置电极涂层。这些不同的膜在此可以以卷筒形式作为原材料存在，并且在制造混合膜之后这些混合膜又可被卷成卷筒。由此在该方法中混合膜的生产可以被简化。
在用于制造混合膜的方法中，基础膜优选交联、部分交联或者不交联。通过这种方式，可以以简单的方式实现混合膜的特性，例如硬度、柔性、熔点的提高和基础膜以及由此混合膜的可溶性的降低。
在用于制造混合膜的方法的优选扩展方案中，接触膜的表面是经等离子净化的、表面结构化的和/或设置有粘合剂。通过预处理接触膜可以提高接触膜在基础膜上的粘附性以及电极层在接触膜上的粘附性。
优选地，在用于制造混合膜的方法中通过溅射来实现电极涂层的施加。电极涂层例如可以是银。由此可以以简单的方式来将电极层施加到混合膜上。
溅射的概念在这里表示物理过程，在该物理过程中通过利用高能离子（主要是稀有气体离子）的轰击从固体中溶解出原子并且转化为气相。这些原子沉积到衬底上并且构成固体层。
通过电极层的溅射可以改善电极层的粘附性并且电极层也可以被均匀地施加到大面积上。
在用于制造混合膜的方法的优选扩展方案中，在预先确定的接触区中的接触膜优选通过曲折形被结构化为使得能够实现机械去耦合。
接触区的概念在这里描述了接触膜的通过所施加的电极层覆盖的面。
接触区可以通过结构——例如曲折形、蛇形、箭头形、锯齿形——或者通过其他结构被机械去耦合。由此可以更稳健地构造混合膜，由此可以更灵活地使用混合膜。
尤其是可以在该方法的第一变型方案中，基础膜可以作为交联的半成品引入生产过程中。在此已经可以将载体膜施加在基础膜的侧上或者将基础膜布置在载体膜上。接着可以将导电的接触膜布置到基础膜上。接触膜的厚度可以小于或等于基础膜的厚度。接触膜例如可以由铜、铝或者由用颗粒填充的硅树脂制成。接触膜到基础膜上的布置例如可以通过敷设、部分地印入基础膜中和/或经由涂层来实现。电极涂层的施加例如可以通过例如银的材料的溅射来实现。此外可能的是，实现接触膜的机械去耦合，在其中在接触膜的接触区中利用电极涂层结构化，例如通过曲折形、箭头形、蛇形、锯齿形等等的结构。此外，接触膜可以布置在第一纵向侧和/或第二纵向侧上，其中这些纵向侧彼此相对地布置在基础膜的共同侧上。此外可能的是，在施加电极涂层时通过溅射过程将附加的偏置施加到接触膜上以便在接触部位处相比硅树脂膜的其余部分附加地修改电极特性，例如传导性、金属颗粒在处于其上的硅树脂中的侵入深度、粘附性、附加的材料等等。由此可以消除潜在关键的从硅树脂膜至接触结构的过渡。此外通过在溅射过程期间的接触可以减少或者抑制膜的不希望的静电充电。
此外，在该方法的第二变型方案中，基础膜可以部分交联或者未交联地引入到生产过程中。在布置导电接触膜之后，可以将基础膜交联，使得在基础膜和接触膜之间可以建立连贯的连接。接触膜在此例如可以敷设到基础膜上或者印入到接触膜中。电极涂层例如可以通过银的溅射来实现。此外可能的是，实现接触膜的机械去耦合，在其中在接触膜的接触区中利用电极涂层结构化，例如通过曲折形、箭头形、蛇形、锯齿形等等的结构。此外，接触膜可以布置在第一纵向侧和/或第二纵向侧上，其中这些纵向侧彼此相对地布置在基础膜的共同侧上。此外可能的是，在施加电极涂层时通过溅射过程将附加的偏置施加到接触膜上以便在接触部位处相比硅树脂膜的其余部分附加地修改电极特性，例如传导性、金属颗粒在处于其上的硅树脂中的侵入深度、粘附性、附加材料等等。由此可以消除潜在关键的从硅树脂膜至接触结构的过渡。此外通过在溅射过程期间的接触可以减少或者抑制膜的不希望的静电充电。
尤其是在该方法的第三变型方案中，首先将导电接触膜施加到载体膜上。此后，可以将基础膜未交联地施加到载体膜和接触膜上。接着可以通过交联的接触膜建立在基础膜和接触膜之间的连贯的连接。此外可能的是，接触膜不与基础膜重叠，而是仅仅经由涂层与接触膜连接。此外可能的是，实现接触膜的机械去耦合，在其中在接触膜的接触区中利用电极涂层结构化，例如通过曲折形、箭头形、蛇形、锯齿形等等的结构。此外，接触膜可以布置在第一纵向侧和/或第二纵向侧上，其中这些纵向侧彼此相对地布置在基础膜的共同侧上。此外可能的是，在施加电极涂层时通过溅射过程将附加的偏置施加到接触膜上以便在接触部位处相比硅树脂膜的其余部分附加地修改电极特性，例如传导性、金属颗粒在处于其上的硅树脂中的侵入深度、粘附性、附加的材料等等。由此可以消除潜在关键的从硅树脂膜至接触结构的过渡。此外通过在溅射过程期间的接触可以减少或者抑制膜的不希望的静电充电。
借助该方法可以以简单的方式制造用于能量变换器、优选波浪能量变换器的混合膜的不同变型，所述能量变换器具有良好的效率或功能性。
本发明还涉及用于制造上述类型的能量变换器、优选波浪能量变换器的方法，具有步骤：从混合膜去除载体膜，将多个混合膜相互堆叠，将混合膜的接触膜接合。在堆叠混合膜之前去除载体膜，以便电极涂层能够接触堆叠在其上的基础膜。混合膜的堆叠在此可以重叠地进行并且各个混合膜在此可以例如交叉或者以同样的纵向定向来堆叠。在此优选将两个不同的混合膜重叠堆叠，其中这些混合膜可以相互区分开，使得第一混合膜使用与带有第二接触膜和第二电极涂层的第二混合膜不同的材料来用于第一接触膜和第一电极涂层，其中这些重叠堆叠的接触膜相互接合在一起。所述接合例如可以通过超声波焊接、激光焊接、阻焊、钎焊和/或粘接来实现。通过交叉地重叠堆叠混合膜，可以实现改善的机械稳定性。混合膜可以在堆叠之前例如通过冲制或裁剪以希望的形状被提供用于能量堆叠。
借助该方法可以以简单的方式制造带有良好效率或功能性的能量变换器。
附图说明
本发明主题的其他优点和有利的扩展方案通过附图和示例来说明并且在后面的描述中被阐述。在此应当注意，附图和示例仅仅具有描述性特征并且不应当认为以任意形式限制本发明。其中
图1示出了第一实施方式的混合膜的示意性示图，
图2以俯视图示出了图1的混合膜的示意性示图，
图3在三个实施例中从侧面示出了图1的混合膜的示意性示图，
图4在第二实施方式中示出了混合膜的俯视图，
图5从前侧示出了图4的混合膜的示图，
图6利用机械去耦合的不同示例示出了混合膜的截面，
图7示出了带有在第一实施方式中的多个混合膜的能量变换器的制造的侧视图，
图8示出了在混合膜的堆叠之后图7的能量变换器的侧视图，
图9示出了在接触膜的接合之后图7的能量变换器的侧视图，
图10示出了带有在第二实施方式中的多个混合膜的能量变换器的制造的侧视图，
图11示出了在混合膜的堆叠之后图10的能量变换器的侧视图，
图12示出了在接触膜的接合之后图10的能量变换器的侧视图。
具体实施方式
图1示出了用于能量变换器22的混合膜10，其中混合膜10是电活性的聚合物膜（EAP）。混合膜10包括例如由硅树脂制成的基础膜12。接触膜14布置在基础膜12的纵向侧上。接触膜14具有比基础膜12小的宽度。接触膜14例如是铜膜。此外，在混合膜上将电极涂层16施加到基础膜上和到接触膜14上。电极涂层16通过溅射来施加。在图1中可以看出，基础膜12和接触膜14分别作为被展开的卷筒存在。在将电极涂层16溅射上之后，又将混合膜10卷起。这能够实现：可以将混合膜10作为卷筒存放，并且在另外的制造步骤中可以将混合膜10以希望的形状和长度裁剪。
图2示出了图1的混合膜10的俯视图。为了更好的可视性，将接触膜14和电极涂层16的一部分去除，以便能够示出载体膜20。在基础膜12的没有布置接触膜14和电极涂层16的侧上，基础膜12为了更好的可操作性而布置在载体膜20上。此外图2示出了，接触膜14和电极涂层16的重叠的区域构成接触区18。
图3示出了图1的混合膜10的三个不同的实施例。在图3a）中，接触膜14仅仅敷设在基础膜12上并且经由电极涂层16与基础膜12连接。此外，接触膜14的厚度等于基础膜12的厚度。在图3b）中，接触膜14仅仅敷设在基础膜12上并且经由电极涂层16与基础膜12连接。此外，接触膜14的厚度等于基础膜12的厚度。在图3c）中，接触膜14印入基础膜12中并且还经由电极涂层16与基础膜12连接。此外，接触膜14的厚度等于基础膜12的厚度。
图4作为俯视图示出了混合膜10的另一实施例。在该实施例中为了更好的可视性，将基础膜12的一部分和电极涂层16的一部分去除。在该实施例中，在将基础膜12布置到接触膜14和载体膜20上之前，首先将接触膜14布置在载体膜20上。此外可以看出，在该实施例中将接触膜14布置在基础膜的两个纵向侧上。电极涂层16不仅覆盖两个接触膜14也覆盖基础膜12。这两个接触膜14和电极涂层16的重叠的区域构成接触区18。
图5示出了图4的俯视图的前视图。载体膜20、两个接触膜14、基础膜12和电极涂层16的上面描述的布置在图5中示出。
图6示出了混合膜10的接触区18的放大的截面。在接触膜14和电极涂层16之间的接触区18具有机械去耦合结构的不同实施方式。机械去耦合的所示实施方式仅仅是示例，并且还可以设想许多其他未示出的不同实施方式。
图7、图8和图9示出了用于借助多个混合膜10来制造能量变换器22的方法的实施方式。在图7中示出了带有仅仅一个接触膜14的多个混合膜10。在溅射之前，混合膜10的载体膜20分别被去除。此外，混合膜10被布置为使得接触膜14指向右并且布置在其下的混合膜10连同接触膜14指向左，布置在该混合膜10之下的混合膜10连同接触膜14又指向右，等等。在图7、图8和图9中不能看出接触膜14和电极涂层16的材料应当是不同的，从而例如带有被向左定向的接触膜14的混合膜10使用与带有被向右定向的接触膜14的混合膜10不同的材料来用于接触膜14和电极涂层16。在图8中，混合膜10重叠堆叠成能量变换器22，然而接触膜14还没有被接合在一起、例如被激光焊接。在图9中示出制成的能量变换器22。在能量变换器22的左侧上被接合在一起的接触膜14构成正极，并且在能量变换器22的右侧上被接合在一起的接触膜14构成负极。
图10、图11和图12示出了能量变换器22的另一实施方式。在该实施例中，使用混合膜10，其在基础膜12的两个纵向侧上具有接触膜14。混合堆叠10以交叉方式被堆叠。通过这种方式，可以实现改善的机械稳定性并且减少表面电阻损失。在图10中，混合膜10以交叉方式重叠堆叠，其中分别交替地将带有第一接触膜14和第一电极涂层16的混合膜10堆叠到带有第二接触膜14和第二电极涂层16的混合膜10之上。第一接触膜和第一电极涂层16在选择材料方面与第二接触膜14和第二电极涂层16不同。在图11中，混合膜被一起堆叠成能量变换器22，其中接触膜还没有接合在一起。图12是能量变换器22的俯视图，其中混合膜10的接触膜14被接合在一起。在此，相同定向的接触膜14分别构成正极或负极。
Claims (14)
1.一种用于能量变换器（22）的混合膜，其中该混合膜是电活性聚合物膜，并且
其中混合膜具有
- 载体膜（20），
- 基础膜（12），
- 接触膜（14），和
- 电极涂层（16）。
2.根据权利要求1所述的混合膜，其中接触膜（14）敷设于基础膜（12）上，部分地印入基础膜（12）中和/或经由涂层连接。
3.根据权利要求1或2之一所述的混合膜，其中接触膜（14）由聚合物膜、优选硅树脂构造，其中所述聚合物膜带有如下颗粒，所述颗粒选自包含铜、铝、钛的金属组或选自所述金属的合金和/或选自碳。
4.根据权利要求1至3之一所述的混合膜，其中在预先确定的接触区（18）中的接触膜（14）优选通过曲折形被结构化为使得能够实现机械去耦合。
5.根据权利要求1至4之一所述的混合膜，其中混合膜能通过冲制或裁剪而以任意形状来成形。
6.根据权利要求1至5之一所述的混合膜，其中接触膜（14）布置在基础膜（12）的第一纵向侧上和/或第二纵向侧上。
7.一种带有电活性聚合物膜的能量变换器，其中该能量变换器具有根据权利要求1至6之一的多个混合膜。
8.根据权利要求7所述的能量变换器，其中这些混合膜重叠堆叠并且接触膜（14）通过接合连接。
9.一种根据权利要求7或8之一所述的能量变换器在用于将机械波浪能转化为电能的发电机中或者在用于将电能转化为机械能的执行器中的应用。
10.一种用于制造根据权利要求1至6之一所述的混合膜的方法，具有步骤：
- 提供载体膜（20），
- 布置基础膜（12），
- 布置接触膜（14），
- 布置电极涂层（16）。
11.根据权利要求10所述的方法，其中基础膜（12）交联、部分交联或者不交联。
12.根据权利要求10或11之一所述的方法，其中所述接触膜（14）的表面是经等离子净化的、表面结构化的和/或设置有粘合剂的。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中通过溅射来施加电极涂层（16）。
14.一种用于制造根据权利要求7或8之一所述的能量变换器的方法，带有步骤：
- 从混合膜去除载体膜（20），
- 将多个混合膜相互堆叠，
- 将混合膜的接触膜（14）接合。
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