Mini-Brennstoffzelle als „Kraftpaket“

Mobile Geräte wie Handys, Laptops oder Kameras brauchen Strom – egal, wo und wie lange. Mini-Brennstoffzellen verbessern die Energieversorgung. Forscher haben jetzt ein Mikrobrennstoffzellensystem entwickelt, das nur wenige Kubikzentimeter groß ist und eine deutlich höhere Energiedichte als Batterien besitzt.

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.

Großer Markt für „Minis“ prognostiziert

Mikrobrennstoffzellen zielen auf den Markt der Handys und Kleingeräte. Weltweit wird daher fieberhaft 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.

„Mit Mikrobrennstoffzellen ist eine Erhöhung der Energiedichte und damit der Betriebszeit um den Faktor fünf bis zehn erreichbar“, erklärt Dr.-Ing. Robert Hahn, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Er koordinierte die Entwicklung der Mikrobrennstoffzelle.

“Kraftpaket“ aus Polymer- und Metallfolien

Die am IZM entwickelte Technologie basiert auf Waferlevel- und Folientechnologien und ist durch mehrere Patentanmeldungen geschützt.

Obwohl Silizium-Wafer als Trägersubstrate während der Herstellung eingesetzt werden, besteht die Mikrobrennstoffzelle aus Polymer- und Metallfolien. Mit den industriell erprobten Verfahren lassen sich Wege zur kostengünstigen Herstellung erschließen, etwa Rolle-zu-Rolle- Verfahren.

„Die von uns entwickelte planare Mikrobrennstoffzelle ist aus drei Komponenten aufgebaut“, erklärt Dr. Hahn. „Ein mikrostrukturiertes Flowfield, das ist sozusagen 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. Sie 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.

Ersatz für Knopfzellen

Die ersten Prototypen der planaren, luftatmenden PEM-Brennstoffzelle sind etwa einen Quadratzentimeter groß und liefern im Dauerbetrieb mit Wasserstoff stabil eine Leistungsdichte von 80 mW/cm2, bei guten Bedingungen sogar 160 mW/cm2. Dabei sind drei Einzelzellen in Serie geschaltet, um eine Gesamtspannung von 1.5 V zu erzeugen. Das reicht aus, um beispielsweise Knopfzellen zu ersetzen. Durch die verwendeten Folientechnologien lassen sich die Zellen leicht in die Oberfläche elektronischer Geräte integrieren.

Das IZM verfolgt zwei Wege, um den Brennstoff für die Zellen bereitzustellen: Zum einen werden anorganische Materialien wie Zink und Kaliumhydroxid – die auch in jeder normalen Alkalinbatterie vorhanden sind – in einer Gasentwicklungszelle zu Wasserstoff umgesetzt. 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. Das IZM ist an mehreren Projekten beteiligt, in denen daran gearbeitet wird, die Mikrotechnologien auf Systeme mit Flüssigbrennstoff zu übertragen.

(Fraunhofer-Gesellschaft, 28.09.2005 – NPO)