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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen Aktor zur
Ausführung einer mechanischen Arbeit.
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Stand der Technik
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Aus
der europäischen Offenlegungsschrift
EP 1 503 703 A2 ist ein
künstlicher Schließmuskel bekannt, welcher ein
elektroaktives Polymer verwendet. Ein elektroaktiver Polymer ändert
durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung seine Form. In der
zitierten Offenlegungsschrift wird das elektroaktive Polymer in
einem Körperinneren eines Menschen als künstlicher
Muskel eingesetzt. Als nachteilig hat es sich dabei herausgestellt,
dass teilweise sehr hohe Spannungen zur Steuerung des künstlichen Muskels
benötigt werden und außerdem die aus elektroaktiven
Polymeren hergestellten Bauteile eine sehr harte Konsistenz aufweisen.
Folglich stellen solcherart künstliche Muskeln für
viele Menschen einen Fremdkörper dar, der weiterhin eine
nicht zu unterschätzende Gefährdung des Trägers
beinhaltet.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Ausführung einer mechanischen Arbeit bereitzustellen,
welche eine hohe Effizienz bei einer für einen menschlichen Körper
ungefährlichen Spannung erreicht. Diese Aufgabe wird durch
das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter
Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 6 in vorteilhafter Weise
gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus
den jeweiligen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ausführung einer mechanischen Arbeit
gelöst, mit einem Kapselelement, mindestens einem Zellenelement,
einem Stromelement und einem Leitungselement, wobei das Kapselelement
das Zellenelement umschließt, in dem Zellenelement eine
erste Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet sind und zwischen
der ersten und zweiten Elektrode ein Elektrolytelement angeordnet
ist, die erste Elektrode und zweite Elektrode mittels des Leitungselementes
mit dem Stromelement verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
- – in einem Elektrolysebetrieb
ein Strom aus dem Stromelement über die erste und zweite
Elektrode sowie durch das Elektrolytelement geleitet wird,
- – durch den Strom mindestens ein Gas in das Kapselelement
freigesetzt wird,
- – in einem Brennstoffzellenbetrieb an wenigstens einer
der Elektroden das Gas aus dem Kapselelement verbraucht wird,
- – durch den Verbrauch des Gases ein Strom aus wenigstens
einer der Elektroden in das Stromelement fließt, und
- – bei einem reversiblen Übergang von dem Brennstoffzellenbetrieb
in den Elektrolysebetrieb das freigesetzte Gas die mechanische Arbeit
ausführt.
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Der
vorrangige Gedanke des beschriebenen Verfahrens besteht in der Nutzung
einer Zelle sowohl als Elektrolysezelle als auch als Brennstoffzelle.
Die mechanische Arbeit entsteht im Rahmen zweier Arbeitsphasen der
Zelle. In einer ersten Arbeitsphase wird durch eine Entwicklung
von Gas durch Elektrolyse ein Druck aufgebaut. In der zweiten Arbeitsphase
führt der Verbrauch des entstandenen Gases durch den Brennstoffzellenbetrieb
zu einem Abbau des bestehenden Druckes. Sowohl der Aufbau als auch
der Abbau des Gases kann zur Ausführung der mechanischen
Arbeit genutzt werden. Da beim Übergang des Elektrolytelementes
von der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige
Phase eine Volumenvergrößerung um ca. zwei Größenordnungen
stattfindet, kann auch mit kleinvolumigen Zellenelementen ein hoher
Gasdruck von bis zu 50 bar erreicht werden. Durch die spätere
Nutzung des Gases im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes wird weiterhin
ein gewisser Teil jenes Stromes zurück gewonnen, der im
Elektrolysebetrieb verwendet wird, um das Elektrolytelement zu reduzieren
bzw. zu oxidieren. Folglich ist das beschriebene Verfahren hoch
effizient und weist neben der erzielten hohen Kraft auch noch den Vorteil
einer geringen Geräuschentwicklung auf.
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Eine
erste vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Freisetzung des Gases
in dem Elektrolysebetrieb zu einer Ausdehnung des Kapselelementes
führt. Das durch die Elektrolyse des Elektrolytelementes
freigesetzte Gas fließt in das Kapselelement ein, welches
das Zellenelement umschließt. Dadurch entsteht im Inneren
des Kapselelementes ein Druck, der zu einer Ausdehnung des zuletzt
Genannten genutzt werden kann. Diese Volumenausdehnung des Kapselelementes
dient zur Ausführung der mechanischen Arbeit. Im Anschluss
an die Expansion des Kapselelementes im Elektrolysebetrieb führt
der Verbrauch des Gases in dem Brennstoffzellenbetrieb zu einer
Kontraktion des Kapselelements. Vorraussetzung für die
Expansions- bzw. Kontraktionsbewegung ist, dass das Zellenelementes
aus einem flexiblen Material aufgebaut ist. Dabei habe sich insbesondere
Kapselelemente aus Gummi, Polymerwerkstoffen oder Silikon als vorteilhaft
erwiesen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass das generierte Gas in ein Gasführungssystem
geleitet wird, wobei insbesondere das Gas einen Kolben in dem Gasführungssystem
bewegt. Bei dieser Variante führt die Generierung des Gases
nicht zu einer Ausdehnung des Kapselelementes. Vielmehr expandiert
das Gas in das Gasführungssystem, so dass dort durch den
Druck des Gases eine Volumenänderung aufgrund der Bewegung
des Kolbens erzielt wird.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch einen Aktor zur Ausführung einer mechanischen Arbeit,
mit einem Kapselelement, mindestens einem Zellenelement, einem Stromelement
und einem Leitungselement, wobei das Kapselelement das Zellenelement
umschließt, in dem Zellenelement eine erste Elektrode und
eine zweite Elektrode angeordnet sind und zwischen der ersten und
zweiten Elektrode ein Elektrolytelement angeordnet ist, die erste
Elektrode und zweite Elektrode mittels des Leitungselementes mit
dem Stromelement verbunden sind. Der erfindungsgemäße
Aktor zeichnet sich dadurch aus, dass das Kapselelement das Zellenelement
gasdicht umschließt, und der Aktor als eine Elektrolysezelle
und als eine Brennstoffzelle betreibbar ist, wobei ein in einem
reversiblen Übergang von einem Brennstoffzellenbetrieb
in einen Elektrolysebetrieb generiertes Gas die mechanische Arbeit
ausführt.
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Im
Rahmen der Verwendung des Zellenelementes als Elektrolysezelle wird über
die erste und zweite Elektrode ein Strom durch das elektrisch leitende
Elektrolytelement geleitet. Durch die Zuführung von Strom
entsteht an einer Elektrode ein Elektronenüberschuss während
an der anderen Elektrode ein Elektronenmangel auftritt. Das elektrisch
leitende Elektrolytelement zwischen der ersten und zweiten Elektrode
enthält eine gewisse Menge negativ oder positiv geladener
Ionen. Die positiv geladenen Kationen wandern durch das Anlegen
der Spannung zur negativ geladenen Elektrode. An dieser Elektrode
nehmen die positiv geladenen Kationen eine oder mehrere Elektronen
auf und werden dadurch reduziert. An der zweiten Elektrode läuft
der entgegen gesetzte Prozess ab, bei dem die negativ geladenen
Anionen Elektronen abgeben, also oxidiert werden. Durch die Reduktion
bzw. Oxidation entstehen neutrale Gasatome, die jeweils zur Oberfläche
des Elektrolytelementes steigen und in das Innere des Kapselelementes
abfließen. Die so erzeugten Gase können erfindungsgemäß die
mechanische Arbeit ausführen, etwa durch Expansion des
Kapselelementes. Im Brennstoffzellenbetrieb wird aus dem Zellenelement
eine Brennstoffzelle, in der die Gase derjenigen Elektroden zugeleitet
werden und dort oxidiert bzw. reduziert werden. Die dabei entstehende
Spannungsdifferenz generiert einen Strom, welcher durch das Stromelement
durchfließt und dort beispielsweise in einer Batterie gespeichert
werden kann.
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Eine
erste vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselelement ein elastisches Material
aufweist. Folglich führt die Generierung des Gases im Rahmen
der Elektrolyse zu einer Ausdehnung des Kapselelementes. Zur Umsetzung
des Druckes in eine mechanische Arbeit und um das elastische Material
vor äußeren Einflüssen zu schützen, kann
das Kapselelement in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
mindestens ein Druckelement aufweisen, welches auf seiner Außenfläche
angeordnet ist und als Übertragungsmittel der Expansion
dient. Durch die Expansion des Kapselelementes verschiebt sich die
Position des Druckelementes, so dass dieses beispielhaft zur Übertragung
der Ausdehnung des Kapselelementes auf ein mechanisches Element
dienen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors behält das Kapselelement sowohl im Elektrolysebetrieb
als auch im Brennstoffzellenbetrieb ein festgelegtes Volumen bei.
Im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel führt
das bei der Elektrolyse entstehende Gas also nicht zu einer Volumenänderung
des Kapselelementes, sondern zu einer Steigerung des Innendruckes
in dem Kapselelement. Dazu bedarf es eines Kapselelementes, welches
aus einem starren und gasdichten Material aufgebaut ist. Als besonders
vorteilhafte starre und gasdichte Materialen haben sich neben Edelstahl
auch Aluminium und Titan erwiesen. Insbesondere das letztgenannte
Metall vereinigt die benötigte Steifigkeit mit geringem
spezifischen Gewicht und antiallergischen Eigenschaften und eignet sich
deshalb besonders bei der Verwendung des erfindungsgemäßen
Aktors als künstlicher Muskel.
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Um
den im Kapselelement entstehenden Gasdruck zu nutzen, kann der Aktor
vorteilhafterweise mit einem Gasführungssystem ausgerüstet
sein. Dieses Gasführungssystem dient dazu, das Gas aus dem
Kapselelement abzuführen und beispielhaft zur Bewegung
eines Kolbens zu nutzen. Dazu muss das Gasführungselement
derart mit dem Kapselelement verbunden sein, dass das generierte
Gas aus dem Kapselelement abfließen kann. Um eine dosierte
Zuführung oder ein langfristiges Aufrechterhalten des Gasdruckes
innerhalb des Gasführungssystems zu ermöglichen,
kann letzteres mit mindestens einem Ventil ausgerüstet
sein. Vorteilhafterweise ist das Ventil direkt am Kapselelement
angeordnet, sodass eine Einstellung des Gasflusses direkt an der
Quelle ausgeführt werden kann.
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Bei
Zellenelementen, die im Brennstoffzellenbetrieb genutzt werden und
der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff dienen, liegt die gelieferte Spannung
theoretisch bei ca. 1,23 Volt bei einer Temperatur von 25°C.
Häufig wird dieser theoretische Wert in der Praxis aber
nicht erreicht, da die Spannung vom Brennstoff, von der Qualität
der Zelle und von der Temperatur abhängig ist. Um eine
höhere Spannung zu erhalten, kann in einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors innerhalb
des Kapselelementes eine Mehrzahl von Zellenelementen angeordnet
sein. Insbesondere eine Reihenschaltung der Zellenelemente ergibt
einen leistungsfähigen Aktor. Um eine elektrische Kontaktierung
der Zellenelemente sowie eine Zufuhr der Reaktionsgase und eine
Abfuhr der Reaktionsprodukte sicherzustellen, kann zwischen den
Zellenelementen eine bipolare Platte angeordnet sein. Für
die bipolare Platte kommen dabei nur Materialien in Frage, die elektrisch
leitfähig sind. Deshalb werden bipolare Platten vorzugsweise
aus einem hochlegierten ferritischen Stahl aufgebaut, in den zusätzlich
Gaskanäle eingefräst sind, um den Fluss der Gase
zu erleichtern. Möglich ist auch eine Verwendung von Materialien
aus elektrisch leitfähigen Polymermischungen. Durch die
Einarbeitung von Graphiten und Rußen in thermoplastische
Kunststoffe wird eine elektrische Leitfähigkeit der bipolaren
Platten erreicht.
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Einen
weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors zeichnet sich dadurch aus, dass das Kapselelement zumindest
bereichsweise von einem Pufferelement umgeben ist. Dieses Pufferelement
dient dazu, bei einer Leckage des Kapselelementes das Elektrolytelement
zu gelieren und/oder zu neutralisieren. Sollte folglich durch eine mechanische
Einwirkung oder Alterungsprozesse das Kapselelement reißen
und das Elektrolytelement austreten, verhindert das Pufferelement
einen Kontakt des möglicherweise ätzenden Elektrolytelementes
mit der Umgebung. Ein derart gestaltetes Pufferelement ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn der Aktor im direkten Einflussbereich von
Menschen genutzt wird. Denn durch die erfindungsgemäße
Anwendung des Pufferelementes kann eine Vergiftung, Verätzung
oder Verbrennung eines unbeteiligten Dritten durch den erfindungsgemäßen
Aktor bei einem Schaden des Kapselelementes verhindert werden.
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Um
einen langfristigen Betrieb des erfindungsgemäßen
Aktors sicherzustellen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante
an dem Kapselelement ein Zuleitungsmittel angeschlossen sein, wobei
das Zuleitungsmittel zum Befüllen des Kapselelementes und/oder
des Zellenelementes mit dem Elektrolytelement dient. Zwar umschließt
das Kapselelement das Zellenelement gasdicht und weiterhin sollten
bei der elektrochemischen Umsetzung der Gase keine Verluste an der
Menge des Elektrolytelementes entstehen, nichts desto weniger kann
bei einer lang andauernden Benutzung des erfindungsgemäßen
Aktors der Wunsch bestehen, das Elektrolytelement auszutauschen,
zu ergänzen und/oder mit Zusatzstoffen zu versehen. Diese
Möglichkeit ist durch das Zuleitungsmittel geschaffen.
Es kann sich dabei um ein Rohrsystem handeln, welches ein Ventil aufweist
und von der Außenseite des Aktors befüllbar ist.
Ein entsprechendes Elektrolytelement kann dann durch das Zuleitungsmittel
in das oder die Zellenelemente eingeführt werden.
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Der
erfindungsgemäße Aktor kann unterschiedliche Elektrolytelemente
einsetzen. Beispielsweise kann es sich bei dem Elektrolytelement
um einen Festelektrolyt oder einen Flüssigelektrolyt handeln.
Bei dem Elektrolytelement und/oder einem in dem Elektrolytelement
angeordneten Elektrolyt kann es sich insbesondere um eines der folgenden
handeln: Alkalilauge, Methanol, Phosphorsäure, Alkalikarbonatschmelzen
oder oxidkeramischer Elektrolyte.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem wird weiterhin durch einen
Aktor gelöst, welcher nach einem der oben beschriebenen
Verfahren betreibbar ist. Solch ein Aktor kann insbesondere als künstlicher
Muskel eingesetzt werden und in der Medizintechnik Verwendung finden,
da dieser eine kleine räumliche Größe
und eine haptische Weichheit mit einer geringen Betriebsspannung
und hoher erzielbarer Kraft kombiniert.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben.
Dabei können die in den Ansprüchen und in der
Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 den
erfindungsgemäßen Aktor in einem Brennstoffzellenbetrieb,
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2 den
Aktor aus 1 in einem Elektrolysebetrieb
und
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3 eine
zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors 10 dargestellt. Der Aktor 10 weist eine
Anzahl von in Reihe geschalteten Zellenelementen 30, 30' auf.
In jedem der Zellenelemente 30, 30' ist eine erste
Elektrode 31 und eine zweite Elektrode 32 angeordnet.
Zwischen beiden Elektroden 31, 32 befindet sich
ein Elektrolytelement 33. Die erste Elektrode 31 und
die zweite Elektrode 32 jedes der Zellenelemente 30, 30' sind
mittels eines Leitungselementes 22 mit einem Stromelement 23 verbunden.
Bei dem Stromelement 23 kann es sich beispielsweise um
eine Batterie handeln, aus der ein Strom abgerufen werden kann.
Umschlossen wird die Anordnung der Zellenelemente 30, 30' von einem
Kapselelement 20. Zwischen den einzelnen Zellenelementen 20, 20' ist
eine bipolare Platte 35 angeordnet, die zur elektrischen
Kontaktierung der Zellenelemente 30, 30' untereinander
dient.
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Der
erfindungsgemäße Aktor 10 ist sowohl als
eine Elektrolysezelle als auch als eine Brennstoffzelle betreibbar.
Dabei kann der Aktor 10 sowohl in einem Brennstoffzellenbetrieb 110 als
auch in einem Elektrolysebetrieb 100 mechanische Arbeit
ausführen. Das für die mechanische Arbeit genutzte
Medium ist jenes Gas, welches im Elektrolysebetrieb 100 generiert
und im Brennstoffzellenbetrieb 110 verbraucht wird.
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Im
Rahmen des Elektrolysebetriebs 100 fließt ein
Strom aus dem Stromelement 23 über das Leitungselement 22 sowie
die beiden Elektroden 31, 32, was in einer elektrochemischen
Aufspaltung einer chemischen Verbindung der das Elektrolytelement
bildenden Elektrolytsubstanz resultiert. Dadurch entsteht aus dem
Elektrolytelement 33 mindestens ein Gas. Dieses Gas entweicht
in das Innere des Kapselelementes 20, welches das Zellenelement 30, 30' gasdicht
umschließt. Folglich erfolgt durch diesen Elektrolysebetrieb 100 eine
Umsetzung des festen oder flüssigen Elektrolytelementes 33 in
wenigstens ein Gas. Da bei der Umsetzung eines Feststoffes in ein
Gas, unter konstantem Druck eine Volumenvergrößerung
von mehr als 2 Größenordnungen auftritt, wird bei
konstantem Volumen in dem Kapselelement ein Druck aufgebaut, welcher
für die Ausführung der mechanischen Arbeit genutzt
werden kann.
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In
der ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors 10 weist das Kapselelement 20 ein elastisches,
dehnbares Material auf, welches an seiner inneren und/oder äußeren Oberfläche
isolierend ausgestaltet ist. Darüber hinaus weist es eine
balgartige Form auf, und ist mit den Zellenelementen 30, 30' und/oder
den bipolaren Platten 35 verbunden. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel erkennt man das im Querschnitt ziehharmonikaartig
verlaufende Kapselelement 20, welches von den Elektrolytelementen 33 zu
den jeweiligen bipolaren Platten 35 verläuft.
An der Außenseite weist das Kapselelement 20 weiterhin
zwei Druckelemente 21 auf. Die beiden Druckelemente 21 können
mittels Rastmitteln kraft- und/oder formschlüssig mit dem
Kapselelement 20 verbunden sein. Die Druckelemente 21 dienen
dazu, die von dem Gasdruck erzeugte Kraft auf eine mechanische und/oder
hydromechanische Struktur weiterzuleiten.
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Das
durch den Elektrolysebetrieb 100 aus dem Elektrolytelement 33 generierte
Gas füllt den Innenraum des Kapselelementes 20;
daraus resultiert eine longitudinale Ausdehnung des Kapselelementes 20,
was auch die 2 verdeutlicht. Die in 1 dargestellte
wellenförmige Außenstruktur des Kapselelementes 20 ist
gewichen. Dafür hat sich das Innenvolumen des Aktors 10 vergrößert,
um dem auftretenden Gas Platz zu verschaffen. Denkbar ist es, dass
das Kapselelement 20 bei der Expansion nur eine unidirektionale
Ausdehnung vollführt. Diese unidirektionale Ausdehnung
lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass in das
Kapselelement 20 ein axial in Ausdehnungsrichtung dehnbares
Fasergewebe integriert ist, welches vor allem in Umfangsrichtung
die Zellenelemente 30, 30' unelastisch einschließt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das
Kapselelement 20 sich in alle Richtungen ausdehnt und nicht
nur eine unidirektionale Bewegung ausführt.
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Die
Besonderheit des erfindungsgemäßen Aktors 10 liegt
nun darin, dass nicht nur bei der Generierung des Gases im Elektrolysebetrieb 100 eine mechanische
Arbeit ausgelöst werden kann, sondern auch im Brennstoffzellenbetrieb 110.
Im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes 110 wird das zuvor
generierte Gas an den Elektroden 31, 32 in elektrische
Energie umgewandelt. Die bipolare Platte 35 dient dabei vorzugsweise
zur Zuführung und gleichmäßigen Verteilung
des Gases an den Elektroden 31, 32. Dieses führt
zu einem Verbrauch des Gases und damit zu einer Abnahme des Gasdrucks
im Kapselelement 20. Um einen stetigen Gasfluss zu den
Elektroden 31, 32 sicherzustellen kann das Kapselelement 20 mit
einem Kraftspeicher, wie etwa einer Feder ausgestaltet sein, die
für eine Kontraktion des Kapselelementes 20 sorgt.
Durch die dem Gasdruck entgegenwirkende Kraft des Kraftspeichers
ist sichergestellt, dass das Volumen des Kapselelementes 20 reduziert
wird, sobald Innendruck im Kapselelement 20 sinkt. Der Brennstoffzellenbetrieb 110 hat
darüber hinaus die positive Wirkung, dass ein Teil des
im Elektrolysebetrieb 100 benötigten Stromes wieder
freigesetzt wird und in das Stromelement 23 zurück
fließen kann. Somit ist der Bedarf an externer Energie,
welche über ein Energieversorgungselement 24 dem
Stromelement 23 zugefügt werden kann, gering.
Durch die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebs 110 erreichte Aufladung
des Stromelementes 23 ist der Aktor 10 mit einer
hohen Eigenständigkeit versehen.
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Bei
dem Stromelement 23, welches zur Speicherung der elektrischen
Energie dient, kann es sich um einen Akkumulator, eine Batterie
oder einen Redox-Flow Speicher handeln. Alle diese Elemente können
die bei der Kontraktion frei werdenden elektrischen Ladungen aufnehmen.
Im Fall des Einsatzes von Redox-Flow Speichern können sowohl
die Redox-Flow-Elektrolyte als auch die Redox-Flow-Elektroden im
Kapselelement 20 integriert sein. Darüber hinaus
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Redox-Flow-Elektrolyte
zusammen mit dem Aktor 10 mittels einer Heizvorrichtung
vor einem ungünstigen Auskühlen zu schützen.
Die Heizvorrichtung kann insbesondere in dem Kapselelement 20 angeordnet sein
und für eine gleich bleibende Temperatur des Aktors 10 sorgen.
Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Aktor 10 in
einen menschlichen Körper integriert werden soll, um als
künstlicher Muskel zu dienen.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Aktors 10 dargestellt. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel
weist das Kapselelement 20 ein starres Material, wie etwa Titan,
Edelstahl oder Aluminium, auf. Folglich führt das entstehende
Gas im Elektrolysebetrieb 100 nicht zu einer Ausdehnung
des Volumens des Kapselelementes 20. Vielmehr steigt der
Innendruck des Kapselelementes 20 in einen Bereich von
0,1 bis 30 bar. Durch eine gasdichte Kapselung des Kapselelementes 20 ist
auch nach einem Abschalten des Stromes ein Halten des Druckes und
damit ein Halten einer mechanischen Kraft fast ohne Aufwendung von
Energie möglich. Dieses ist insbesondere für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Aktors 10 in
der Medizin – als Blasen- oder Herzmuskelersatz – und der
Robotik – zum energieeffizienten Halten – wesentlich.
Zur Ausführung der mechanischen Arbeit kann der Aktor 10 über
ein Gasführungssystem 50 verfügen, durch
welches das unter Druck stehende Gas fließen kann. In dem
Gasführungssystem 50 kann ein Kolben integriert
sein, welcher durch das Gas verschoben wird, und somit eine Bewegung
eines mechanischen Elementes auslöst. Zur Steuerung des
Gasführungssystems 50 verfügt dieses über
ein Ventil 51, welches vorteilhafterweise in der Nähe
des Kapselelementes 20 angeordnet ist. Gleichfalls denkbar
ist es, eine Anzahl von Ventilen 51 derart anzuordnen,
dass jedes Zellenelement 30, 30' ein individuelles
Ventil 51 aufweist. Dadurch ist nicht nur eine Steuerung
des im Gasführungssystem 50 vorhandenen Druckes,
sondern auch eine Regulierung des Volumenstromes möglich,
um eine besonders präzise Steuerung und Ausführung
der mechanischen Arbeit zu erreichen. Darüber hinaus ist an
das Gasführungssystem 50 bzw. den Aktor 10 eine
Elektronik 90 angeschlossen. Bei dieser Elektronik handelt
es sich vorzugsweise um einen Mikrocontroller, einen FPGA (Field
Programmable Gate Array) oder einen digitalen Signalprozessor (DSP).
Auf jedem dieser Elemente kann ein Computerprogrammprodukt ausgeführt
werden, welches den Aktor 10 in einer vorgegebenen Art
und Weise steuert. Zusätzlich kann in die Elektronik 90 ein
Kommunikationselement integriert sein, um über ein funkwellenbasiertes Kommunikationsmittel
mit einer externen Kommunikationseinheit zu kommuniziert. Dieses
ermöglicht eine Steuerung des Aktors 10 mittels
einer externen Steuerungseinheit, wie etwa einem Computer. So lässt
sich insbesondere bei der Verwendung als künstlicher Muskel
nicht nur der Zustand des Aktors 10 abfragen, sondern auch
die Stärke bzw. der Zyklus der mechanischen Arbeit steuern.
Gleichfalls kann an dem Kapselelement 20 ein Zuleitungsmittel 40 angeordnet
sein. Dieses Zuleitungsmittel 40 dient dazu, die Zellenelemente 30, 30' mit
Zusätzen oder Ersatzelektrolytelementen zu beschicken.
Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
wenn der Aktor noch Sensoren zur Messung des Druckes an einer oder
mehreren Stellen aufweist. Die so gemessenen Informationen können
ebenfalls in der Elektronik 90 verarbeitet und an eine
Außenstelle weitergeleitet werden. Durch die Messung des
Innendruckes des Kapselelementes 20 ist eine präzise
und sichere Steuerung des Aktors 10 möglich.
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Da
der erfindungsgemäße Aktor 10 als künstlicher
Muskel eingesetzt werden kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das Kapselelement 20 zumindest bereichsweise mit einem
Pufferelement 60 zu umkleiden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
umschließt das Pufferelement 60 das Kapselelement 20 vollständig.
Das Pufferelement 60 besteht aus oder beinhaltet ein einen
Elektrolyten gelierendes und/oder neutralisierendes Mittel. Dieses
im Pufferelement 60 integrierte Mittel reagiert mit einem aus
dem Kapselelement 20 austretenden Elektrolyten und bindet
ihn. So ist sichergestellt, dass auch bei einem beschädigten
Kapselelement 20 kein Elektrolyt in den Körper
eines Patienten einfließt, falls der Aktor 10 als
künstlicher Muskel genutzt wird. Vielmehr schirmt das Pufferelement 60 den
Inhalt des Kapselelementes 20 gegenüber dem Körper
ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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