Kleine Brennstoffzellen sorgen für mehr Mobilität
VDI nachrichten, Hannover, 22. 9. 06, rb – Sie haben nur wenige cm3 Volumen, weisen eine hohe Energiedichte auf und setzen da an, wo Akkumulatoren nicht mehr mithalten können. Mikrobrennstoffzellen werden in absehbarer Zeit die heute üblichen Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Akkus in portablen Geräten ablösen. Davon sind deutsche Forscher ebenso wie japanische Konzerne überzeugt.
Die Brennstoffzellentechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Denn Brennstoffzellen erzeugen nahezu verlustfrei aus chemischer Energie Strom und Wärme. Als besonders zukunftsträchtig gelten sie im mobilen Einsatz: für Handys, Kameras, Camcorder und andere elektronische Kleingeräte.
Seit Anfang dieses Jahres unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Entwicklung von kleinen Brennstoffzellen für einen Zeitraum von drei Jahren mit einer Fördersumme von 20 Mio. €. Ziel ist es, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Elektronikindustrie zu gewährleisten. Nach Angaben des BMBF ist das auf diesem Gebiet das europaweit größte Forschungsprogramm.
Da die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung von Mikrobrennstoffzellen-Systemen, so das Ministerium, die Zusammenarbeit einer Vielzahl von Unternehmen erfordere, böten sich zahlreiche Möglichkeiten zur Teilnahme deutscher Unternehmen bei der Fertigung von diesen Systemen an. Das BMBF wittert Chancen – vor allem für die mittelständisch geprägte deutsche Industrie, aber auch die Forschung – und die Möglichkeit im internationalen Wettbewerb eine Spitzenposition zu erreichen.
Vom BMBF gefördert werden auch Fraunhofer-Institute wie das Berliner Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und das Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg, die an der Verbesserung der Mikrobrennstoffzellen-Technologie arbeiten.
Bisher wurden nur Prototypen von Mikrobrennstoffzellen für den Einsatz in mobilen Endgeräten entwickelt. „Die Miniaturisierung stellt noch immer ein Problem dar“, erklärt Ulf Groos vom Fraunhofer ISE. Zudem seien die Produktionskosten der heute noch überwiegend in Handarbeit hergestellten Mikrobrennstoffzellen viel zu hoch. „An diesen Problemen arbeiten wir zurzeit. Es geht darum, die Miniaturisierung voranzutreiben, eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen und für eine kostengünstigere Systemtechnik zu sorgen“, so Groos.
Dass sich der Aufwand lohnt, liegt für Ulf Groos auf der Hand. Brennstoffzellen weisen gegenüber Batterien zahlreiche Vorteile auf. Sie ermöglichen durch die Trennung von Stromerzeugung und Energiespeicherung eine optimale Dimensionierung der Energieversorgung. Anders als bei wiederaufladbaren Batterien nimmt das Leistungsvermögen bei den Brennstoffzellen nicht mit zunehmender Speicherentladung ab. Durch schnelles Auffüllen oder Austauschen der Brennstoffkartusche kann der Betrieb sofort fortgesetzt werden. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle sinkt nicht wie bei Batterien nach häufigem Ent- und Wiederaufladen. Ulf Groos ist überzeugt: „Die Brennstoffzelle stellt eine ideale Ergänzung zur Batterie dar.“ Sie könne als interne oder externe Ladestation für Batterien fungieren.
Stefan Wagner vom Fraunhofer IZM sieht den Vorteil von Mikrobrennstoffzellen gegenüber Batterien vor allem in der längeren Laufzeit. Seit sechs Jahren arbeitet das Fraunhofer IZM am Thema. Dabei geht es um Brennstoffzellen-Systeme mit einer Leistung von maximal 10 W. Prototypen der Polymermembran-Brennstoffzelle, kurz PEM, die mit gasförmigem Wasserstoff betrieben werden, sind etwa einen Fingerhut groß.
Das IZM produziert in erster Linie planare, luftatmenden PEM-Zellen, wobei das System so passiv wie möglich gehalten werden soll. Das heißt: Auf den Einsatz von Pumpen wird bei der Versorgung der Zelle mit Wasserstoff verzichtet. „Wir kombinieren eine Brennstoffzelle mit einer Gasentwicklungszelle derart, dass wir keine Pumpen benötigen“, so Wagner. Die Brennstoffzelle an sich fungiere nur als Generator.
Beide Experten sind sich einig: Bis zur Einführung von Mikrobrennstoffzellen für mobile Endgeräte in Massenmärkten wird es nach Ansicht beider Experten noch drei bis fünf Jahre dauern.
Doch die Deutschen müssen sich sputen, denn auch namhafte Unternehmen im Ausland arbeiten seit einigen Jahren an der Entwicklung von Mikrobrennstoffzellen für mobile Geräten. Bereits im März 2003 beanspruchte die Firma Toshiba für sich, den weltweit ersten Prototyp einer Mikrobrennstoffzelle für einen portablen PC produziert zu haben. Diese auf Methanolbasis betriebene Brennstoffzelle hatte eine durchschnittliche Leistung von 12 W und eine Maximalleistung von 20 W. Ein Jahr später verkündete Toshiba, den Prototyp für digitale Audioplayer und drahtlose Headsets. Diese Mikrobrennstoffzelle soll mit 22 x 56 x 4,5 mm kaum größer als ein Daumen sein und wiegt lediglich 8,5 g. Sie bietet, so das Unternehmen, genügend Energie, um einen MP3-Player 20 Stunden zu betreiben.
Und, es kommen noch andere Nachrichten aus Asien: So hat der größte japanische Mobilfunkbetreiber, NTT Docomo, in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Aquafairy jüngst einen Prototyp einer Mikrobrennstoffzelle auf Wasserstoffbasis entwickelt, mit der sich UMTS-Mobiltelefone einige Male aufladen lassen. Mit einem Gewicht von 45 g ist dieser Prototyp allerdings deutlich schwerer als der von Toshiba entwickelte. NTT Docomo sieht die Wasser-Brennstoffzelle vorerst als Laufzeitverlängerung für die in Handys verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien an.
In Korea haben Samsung und MTI Micro jüngst eine Zusammenarbeit für 15 Monate zur Herstellung von mobilen Brennstoffzellen vereinbart. Beide Unternehmen wollen eine Technologie entwickeln, testen und auswerten, die für diverse Mobilfunkanwendungen geeignet ist.
A. WEINGÄRTNER
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