Kleine Brennstoffzelle mit großer Leistung

Fraunhofer-Forscher wollen Kleingeräte mit alternativer Energiequelle ausstatten

Berlin. Forscher am Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben  Mikrobrennstoffzellen entwickelt, die nur wenige Kubikzentimeter groß sind und eine höhere Energiedichte als Batterien besitzen. Mit diesen Mini-Brennstoffzellen soll der Markt für Kleingeräte bedient werden. Sie sollen Batterien ersetzen und die Energieversorgung portabler Elektronikgeräte und autonomer Mikrosysteme sicherstellen, etwa drahtlos vernetzte Sensoren oder medizinische Systeme. "Mit Mikrobrennstoffzellen ist durch die hohe Energiedichte eine fünf- bis zehnfach längere Betriebszeit möglich", meinte Entwicklungsleiter Dr.Robert Hahn. Für ihre Entwicklung wurden die Berliner Forscher am 26. September mit dem f-cell award 2005 in Bronze ausgezeichnet. Den Preis stiften die DaimlerCrysler AG und das Land Baden-Württemberg.

Der Prototyp der der planaren, luftatmenden PEM-Brennstoffzelle ist etwa einen Quadratzentimeter groß und liefert im Betrieb mit Wasserstoff eine stabile Leistung von 80 Milliwatt pro Quadratzentimeter, bei guten Bedingungen sogar 160 mW/cm<+>2<P>. Drei in Serie geschaltete Zellen erzeugen eine Gesamtspannung von 1,5 Volt. Dies ist ausreichend, um Knopfzellen zu ersetzen. "Zur Erzeugung von Brennstoff ist ein Gasentwickler nötig. In diesem wird Zink oder Kaliumhydroxid abhängig vom Laststrom zu Wasserstoff umgesetzt", so die Forscher vom Fraunhofer  IZM. Das Gesamtsystem, bestehend aus Gasentwickler und Brennstoffzelle, ist vier Kubikzentimeter groß und ermöglicht die doppelte Betriebszeit als eine Alkalibatterie derselben Größe.

Die am IZM entwickelte und patentierte Technologie basiert auf Waferlevel- und Folientechnologien. Die Mikrobrennstoffzelle besteht aus Polymer- und Metallfolien und ist aus drei Komponenten aufgebaut. "Ein mikrostrukturiertes Flowfield, das ist die untere Folie auf der Anodenseite, dient dazu, den Brennstoff heranzuführen und zu verteilen. Gleichzeitig leitet sie den Strom ab. Eine perforierte und ebenfalls mikrostrukturierte Stromableiterfolie regelt den Gasaustausch auf der Kathodenseite sowie dort die Stromableitung. Zwischen die beiden Folien wird eine kommerzielle Membran-Elektroden-Einheit eingesetzt", erklärt Dr. Hahn. "Diese ist in isolierte Bereiche unterteilt, für nebeneinander liegende Zellen. Durch die Mikrostrukturierung der Stromableiter kann auf weitere Gasdiffusionsschichten verzichtet werden. Die Abdichtung und Kontaktierung erfolgt mit Siebdruck- und Dispensiertechniken." Aufgrund der verwendeten Folientechnik, so die Berliner Forscher, sei die Herstellung mit industriell erprobten Verfahren kosteneffizient realisierbar. Durch die verwendeten Folientechnologien lassen sich die Zellen leicht in die Oberfläche der elektronischer Geräte integrieren, Platz braucht man lediglich für den Tank, der den Wasserstoff liefert.


Prototyp einer PEM-Mikrobrennstoffzelle - sie liefert im Dauerbetrieb mit Wasserstoff stabil eine Leistungsdichte von 80 mW/cm2. Das reicht aus, um beispielsweise Knopfzellen zu ersetzen.
Foto: Fraunhofer IZM

Das IZM verfolgt zwei Wege, um Brennstoff bereitzustellen: Zum einen werden anorganische Materialien wie Zink und Kaliumhydroxid, die auch in jeder normalen Alkalinbatterie vorhanden sind, in einer Gasentwicklungszelle zu Wasserstoff umgesetzt. Derzeit arbeiten die Fraunhofer-Forscher mit einer solchen Knopfzelle der Varta Microbattery GmbH, die für die Kombination mit der Mikrobrennstoffzelle optimiert wird. Das vier Kubikzentimeter große Gesamtsystem liefert eine Energie von 2.1 Wattstunden und damit die 2,3-fache Energie einer gleich großen AAA-Alkalinbatterie und die knapp zweifache Energie von Li-Polymerakkus. Das gelingt, weil der Wasserstoff ohne komplizierte Regelung erzeugt werden kann: er entsteht direkt proportional zum Laststrom. "Ein Handy benötigt unterschiedlich viel Energie, je nachdem ob ich telefoniere oder damit fotografiere. Bei unserem System steigt die Wasserstoffproduktion je nach dem Bedarf", erklärt Dr. Hahn.

Zum anderen werden Methanol- und Ethanol-Brennstoffzellen (DMFC, DEFC) eingesetzt. Mit ihnen lassen sich wesentlich höhere Energiedichten und damit Nutzungszeiten der elektronischen Geräte erzielen. Hier gibt es jedoch noch großen Entwicklungsbedarf. Eigenen Angaben zufolge ist das IZM ist an mehreren Projekten beteiligt, in denen daran gearbeitet wird, die Mikrotechnologien auf Systeme mit Flüssigbrennstoff zu übertragen.

Die Brennstoffzellentechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Denn Brennstoffzellen erzeugen nahezu verlustfrei aus chemischer Energie Strom und Wärme. Die Eigenschaften sind überragend - effizient, sauber, modular erweiterbar. Brennstoffzellen gibt es für stationäre Kraftwerke und für den mobilen Einsatz. Mikrobrennstoffzellen zielen auf den Markt der Handys und Kleingeräte. Weltweit wird an ihrer Entwicklung gearbeitet. Sie sollen Batterien ersetzen und die Energieversorgung portabler Elektronikgeräte und autonomer Mikrosysteme sicherstellen, etwa für drahtlos vernetzte Sensoren wie die eGrains, am Körper tragbare "wearable" Elektronik oder medizintechnische Mikrosysteme.
(Quelle: MüllMagazin 3/2005)

Kontakt: Dr.-Ing. Robert Hahn, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Gustav-Meyer-Allee 25, D-13355 Berlin, Tel. 030.46403-609, eMail: robert.hahn@izm.fraunhofer.de, Internet: www.izm.fraunhofer.de.



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