Brennstoffzellen im Miniformat

Sie sind so groß wie ein 1-Cent-Stück und dünn und biegsam wie eine Postkarte: die Mikro-Brennstoffzellen des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin. Damit wollen die Entwickler den in Kleingeräten eingesetzten Batterien und Akkus Konkurrenz machen. Anwendungen sehen sie bei Handys und PDAs, aber auch bei Hörgeräten oder tragbaren medizinischen Messgeräten. Größtes Manko bislang: Für so kleine Anwendungen gibt es noch keine geeigneten Wasserstoffspeicher.

Die Fraunhofer-Forscher sind nicht die einzigen Wissenschaftler, die an winzigen Brennstoffzellensystemen arbeiten. Doch sie gehen einen anderen Weg als beispielsweise die Entwickler der amerikanischen Bell-Labs oder der Stanford-Universität: Statt Baukonzepte der Siliziumtechnologie nutzen sie für die Herstellung der kleinen, flachen Energielieferanten in der Brennstoffzellenproduktion bislang unübliche Techniken der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik.

Zum Einsatz kommen dabei Folien aus Edelstahl und Polymermaterial, die durch Ätztechniken mit feinen Strukturen versehen werden und zu einem Laminat verklebt werden. Das ermöglicht nicht nur kleinere Systeme, sondern auch eine billigere und einfachere Herstellung der Zellen, da großflächig sehr viele Zellen gleichzeitig gefertigt werden können.

Die IZM-Prototypen bestehen aus einer Anodenfolie, die den Wasserstoff heranführt und fein über die Fläche verteilt und gleichzeitig zur Stromableitung dient. Ihr Gegenstück an der Kathodenseite ist ebenfalls mit feinen Rillen versehen und ermöglicht so einen optimalen Kontakt zur Luft. Dazwischen liegt eine kommerzielle ionenleitfähige Polymermembran. Deren Elektroden sind in drei isolierte Bereiche unterteilt. Dadurch entstehen auf einer Fläche drei einzelne, in Serie geschaltete Zellen.

In ihren Tests haben die Entwickler um Robert Hahn unterschiedliche Design-Varianten der Zellen bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten getestet. Die Prototypen lieferten bei einer Klemmenspannung von 1,5 Volt Stromstärken von 20 bis 40 Milliampere. Damit könnte das System beispielsweise die in vielen Kleingeräten eingesetzten Knopfzellen ersetzen. Solche Zellen könnten sogar in die Oberfläche elektronischer Geräte integriert werden, da sie sehr dünn sind und sich auch der Krümmung einer Oberfläche anpassen können.

Im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellensystemen kommt die Mikrozelle ohne Pumpen, Lüfter oder sonstige Peripheriegeräte aus: Die Kathode atmet frei und bezieht ihren Sauerstoff aus der sie umströmenden Luft. Der Wasserstoff hingegen strömt durch Löcher auf der Anodenseite zur Membran. Einzig eine elektrische Regelung ist erforderlich, denn mit der Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung verändert sich auch die Leistung der Mikrozelle.

In der Versorgung mit Wasserstoff steckt noch die größte Herausforderung für die Entwickler: Drucktanks scheiden für so kleine Anwendungen aus, und Metallhydridtanks sind zu groß und zu schwer. Eine Lösung könnte die Speicherung des Brennstoffs in Form von Natriumborhydrid sein, erläutert Robert Hahn, der mit seinen Mitarbeitern an der Entwicklung eben solcher Systeme arbeitet.

In Autos und Schiffen wird das harmlose, ungiftige Pulver Natriumborhydrid (NaBH4) bereits zur Wasserstoffspeicherung eingesetzt. Wird es mit Wasser versetzt, gibt es Wasserstoff frei. Diese Reaktion läuft bei Normaldruck ab und lässt sich gezielt steuern, was für Mikrosysteme wichtig ist. Zurück bleibt der ebenso ungefährliche Stoff Natriummetaborat (NaBO2), der chemisch dem in vielen Waschmitteln enthaltenen Borax entspricht. Dieses Abfallprodukt könnte daher einfach über das Abwassernetz entsorgt werden.