DE102006035265A1 - Device for the direct transformation of chemical energy into mechanical work, comprises two movable catalytic electrodes and a mechanically distortable, flexible hydrogen muscle fiber for electrically separating the electrodes - Google Patents

Device for the direct transformation of chemical energy into mechanical work, comprises two movable catalytic electrodes and a mechanically distortable, flexible hydrogen muscle fiber for electrically separating the electrodes Download PDF

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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

The device for the direct transformation of chemical energy into mechanical work, comprises two movable catalytic electrodes for carrying out a chemical reaction, and a mechanically distortable, flexible hydrogen muscle fiber for electrically separating the electrodes. The attraction between two electrodes resulting from an electro-chemical potential difference is used. The developed electrical field is directly used for the production of a power, which is changed over the flexible membrane in a linear motion. The hydrogen muscle fiber is connected in parallel to reach high total output. The device for the direct transformation of chemical energy into mechanical work, comprises two movable catalytic electrodes for carrying out a chemical reaction, and a mechanically distortable, flexible hydrogen muscle fiber for electrically separating the electrodes. The attraction between two electrodes resulting from an electro-chemical potential difference is used. The developed electrical field is directly used for the production of a power, which is changed over the flexible membrane in a linear motion. The hydrogen muscle fiber is connected in parallel to reach high total output. The state of charging of the electrodes and contraction/elongation of the hydrogen muscle are electrically and mechanically controlled. The linear movement is converted into rotating motion at the same time the periodic contraction/elongation of the hydrogen muscle is coupled to the rotating motion. The construction is micro-structured. The choice of the chemical reaction is arbitrary.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.The The invention relates to a device according to the preamble of claim 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.Mobility is one Basic requirement of our company. This mobility is through Ensures machines, the chemically or electrically stored energy into mechanical Convert work. Classic examples are the gasoline engine and the Electric motor. The gasoline engine and related energy converters that over the Detour of heat generation (for example, combustion of hydrocarbons) perform mechanical work, are due to the limited efficiency (max of the Carnot process, usually around 30%) and the high pollutant emissions are problematic. The electric motor however, it has high efficiency and no pollutant emissions. The storage of electrical energy (batteries or similar) is in Unlike that of chemical energy (gasoline / diesel / gas tanks) a still unsatisfactorily solved Problem, so that mostly the chemical energy in so-called fuel cells into electrical energy must be converted.

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.task The invention is to provide a device, chemically stored Energy is converted directly into mechanical work, without over the Detour of heat generation to go.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wiedergegeben.These The object is achieved by a device having the features of the claim 1 reproduced.

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.An essential advantage of the invention is the direct conversion of chemical energy into mechanical work without the detour of heat generation or additional aggregates. In the exemplary embodiment, the chemical energy is converted electrochemically into mechanical work via the gas reaction 2H 2 + O 2 ⇔ 2H 2 O. The device can be operated at room temperature, with choice of appropriate materials and higher temperatures are possible. By using low temperatures no pollutant emissions are expected. The power control can be controlled both electrically and mechanically. The H-muscle is the artificial counterpart to the animal muscle, so it is excellently used in robots because it allows similar (linear) movement without mechanical translation. The embodiment is adapted to the storage of chemical energy in the form of hydrogen, other chemical reactions are conceivable, which can also be carried out in liquid media. The power density increases when using microscopic structures, so that the H-muscle can also be used as a microscopic attractor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnung 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigenOne embodiment The invention is illustrated in the drawings 1 and 2 and is closer in the following described. Show it

1: die zentrale Einheit eines H-Muskels („H-Muskelfaser") 1 : the central unit of an H-muscle ("H-muscle fiber")

2: ,Stack' aus Muskelfasern 2 : Stack of muscle fibers

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.An H-muscle fiber consists essentially of an inner conductive (H 3 O + or OH - ), but elekrisch non-conductive, elastic plastic ( 2 ), eg Nafion (C). In the embodiment, the fiber is to be understood as a thin film, other geometries are conceivable. Plastic ( 2 ) is coated on both sides with a catalytic, electrically conductive layer ( 1 ) 3 ), eg Pt / graphite. Electrode ( 1 ) is supplied via supply lines ( 6a ) with hydrogen, electrode ( 2 ) fumigated with oxygen (or air) ( 6b ). The geometric structure is borrowed from that of a proton-conducting fuel cell. At the electrodes, the hydrogen or oxygen is split and adsorbed. In the case of a proton-conducting plastic H 3 O + -ions are generated, which as long as the hydrogen electrode ( 1 ) to the oxygen electrode ( 3 ) migrate until an electric field has formed. The electric field results from the potential difference of the underlying chemical reaction 2H 2 + O 2 ⇔ 2H 2 O ~ ΔU = 1.23 V and generates a force between the electrodes (F '), which leads to a compression and corresponding dilation parallel to the film (F ). A short-circuiting of the electrodes via ( 4 ) collapses the field, opening ( 4 ) lets it grow again. Thus, the device can periodically perform mechanical work on the holder ( 5 ) perform. The regulation of contractions and elongations can alternatively also be carried out via the gas flow (periodic exchange of ( 6a ) and ( 6b )) carry out. Essential parameters for optimizing the performance are the smallest possible thickness of the film (close spacing of the electrodes) and corresponding electrical and mechanical properties.

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).To enable high power densities, the H-muscle fibers can be bundled in a stack (see 2 ). Such an H-muscle allows pulling movements, as it is needed in robots, for example. In order to be able to perform rotational movements, the H-muscle must be mechanically coupled to an eccentric. At the same time, the electrical short-circuiting can be controlled in the correct phase by contacts on the eccentric (similar to the valves on the piston of a steam engine).

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.portrayed is only one embodiment. alternatives arise in particular by the choice of other geometries. The Power density increased themselves when using microscopic structures, leaving the H-muscle can also be used as a microscopic attractor.

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.A another possibility is revealed by the use of other chemical reactions. The H-muscle is based on the principle of electrostatic attraction due to an electrochemical potential difference between two Electrodes. This leaves also by other reactions than the gas reaction described here realize. In particular, the use of liquid reactants promises a large application area.

Claims (7)

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.Device for the direct conversion of chemical energy into mechanical work, characterized in that the attraction force between two electrodes is utilized as a result of an electrochemical potential difference. 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.Device according to claim 1, characterized that one chemical reaction on two mobile catalytic electrodes takes place through a mechanically deformable, elastic membrane are electrically isolated, but ions can be exchanged (so-called. Hydrogen muscle fiber). This structure will not - as in the fuel cell - to exploited generate electricity, but the built-up electrical Field is used directly to generate a force which over the elastic membrane is converted into a linear movement. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Element (Wasserstoffmuskelfaser) vielfach parallel geschaltet wird, um ein hohe Gesamtleistung zu erreichen (Wasserstoffmuskel).Device according to claim 1, characterized that this central element (hydrogen muscle fiber) often connected in parallel is to achieve a high overall performance (hydrogen muscle). 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.Device according to claim 1, characterized that the Charge state of the electrodes and thus the Kontrkation / elongation of the hydrogen muscle both electrically and mechanically (via the Gas flow) can be controlled. 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.Device according to claim 1, characterized that the linear motion over Excenter can be converted into rotary motion. At the same time to the rotational movement the periodic contraction / elongation of the hydrogen muscle be coupled. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau mikrostrukturiert werden kann.Device according to claim 1, characterized that the Structure can be microstructured. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl der chemischen Reaktion beliebig ist.Device according to claim 1, characterized that the Choice of chemical reaction is arbitrary.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4116739C1 (en) * 1991-05-23 1992-07-02 Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De
DE4331763C1 (en) * 1993-09-18 1994-11-10 Friwo Silberkraft Ges Fuer Bat Electrochemical actuator
FR2880144A1 (en) * 2004-12-27 2006-06-30 Inst Francais Du Petrole Initial product`s e.g. water, physico-chemical property e.g. volume, varying method for e.g. sub-marine, involves electrochemically transforming initial product such as water into resultant gaseous products using electrolyser

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