Mini-Brennstoffzelle sagt Batterie den Kampf an

Am Berliner Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration haben Forscher Mikrobrennstoffzellen entwickelt, die nur wenige Kubikzentimeter groß sind und eine höhere Energiedichte als Batterien besitzen. Mit 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 zehnfache längere Betriebszeit möglich“, meinte Entwicklungsleiter Robert Hahn.

Der Prototyp der Mini-Brennstoffzelle ist etwa einen Quadratzentimeter groß und liefert im Betrieb mit Wasserstoff eine stabile Leistung von 80 Milliwatt pro Quadratzentimeter. 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“, erläuterte Stefan Wagner vom IZM. Das Gesamtsystem, bestehend aus Gasentwickler und Brennstoffzelle, ist vier Kubikzentimeter groß und ermöglicht die doppelte Betriebszeit als eine Alkalibatterie derselben Größe.

Die entwickelte Technologie basiert auf Waferlevel- und Folientechnologien. Die Brennstoffzelle besteht aus Polymer- und Metallfolien und ist aus drei Komponenten aufgebaut. „Die untere Folie auf der Anodenseite, dient dazu, den Brennstoff heranzuführen und zu verteilen. Gleichzeitig leitet sie den Strom ab. Eine perforierte Stromableiterfolie regelt den Gasaustausch auf der Kathodenseite. Zwischen die beiden Folien wird eine kommerzielle Membran-Elektroden-Einheit eingesetzt“, erklärte Wagner. Durch die verwendete Folientechnik sei die Herstellung kosteneffizient realisierbar. Die Zellen könnten in die Oberfläche der zu versorgenden Geräte integriert werden, Platz bräuchte man lediglich für den Tank, der den Wasserstoff liefert.

Bei Geräten mit wechselndem Energiedurst ist, laut Wagner, ein Hybridsystem die effizienteste Lösung. „Handys brauchen zum Beispiel beim Telefonieren kurzfristig mehr Energie. Brennstoffzellen müssten dann immer für die maximale Leistung konzipiert werden. Hier ist dann eine Kombination aus herkömmlichem Akku und Mikrobrennstoffzelle angebracht, wobei der Akku die Leistungsspitzen ausgleicht“, sagte Wagner.