Neues vom Energiemarkt

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. \"Mit Mikrobrennstoffzellen ist eine Erhöhung der Energiedichte und damit der Betriebszeit um den Faktor 5 bis 10 erreichbar\", erklärt Robert Hahn, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM . Er koordinierte die Entwicklung der Mikrobrennstoffzelle.

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 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.

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 Gesamt-system 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 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. Das IZM ist an mehreren Projekten beteiligt, in denen daran gearbeitet wird, die Mikrotechnologien auf Systeme mit Flüssigbrennstoff zu übertragen.