Team 3

Streifen-Brennstoffzelle: Brennstoffzellen für die Energieerzeugung in kleinen portablen elektronischen Geräten

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Brennstoffzellen als Energiewandler sind derzeit für stationäre, mobile und portable Anwendungen in der Entwicklung. In dem emissionsfreien und sehr effizienten elektrochemischen Umwandlungprozess von Wasserstoff und Luftsauerstoff in das Reaktionsprodukt Wasser werden Strom und Wärme erzeugt. Ein weiterer Vorteil neben Umweltverträglichkeit und Effizienz ist der modulare und sehr leicht skalierbare Aufbau von Brennstoffzellen. Die Zahl der in Serie verschalteten Zellen bestimmt die Spannung, die Fläche der Zellen den entnehmbaren Strom.

Die übliche Bauweise einer Brennstoffzelle ist die Stapelkonstruktion, eine Vielzahl von Einzelzellen wird durch bipolare Platten in Serie verschaltet. Diese bipolaren Platten sorgen für den elektrischen Kontakt und verteilen die Reaktionsgase über der gesamten Elektrodenfläche. Dieser recht komplexe Aufbau ist für hohe Leistungsdichten, wie sie etwa für elektrisch angetriebene Autos benötigt werden, die beste Lösung. Im Bereich portabler Systeme kleiner Leistung bietet sich jedoch eine andere Konstruktionsvariante an, die Streifen-Brennstoffzelle.

In besonders flacher Bauweise kann in der Streifenzelle die gleiche Ausgangsspannung erreicht werden wie in einem Zellstapel, ferner wird nur eine Ebene mit Wasserstoff und eine Ebene mit Luft versorgt, so dass die Gasverteilung ebenfalls vereinfacht ist. Neben einer großen Flexibilität in der Geometrie - auch mehrere Streifenzellen lassen sich wiederum zu einem Stapel kombinieren - ermöglicht diese Konstruktionsweise, dass die Zellrahmen deutlich einfacher und aus einem nichtleitenden Kunststoff gefertigt werden können. Somit wird für ein zukünftiges Produkt billige Massenproduktion möglich und die Streifenzelle kann zukünftig Batterien in vielen portablen elektronischen Geräten ersetzen. Sie hat damit ein Marktpotential in Milliardenhöhe.

Für das Beispiel eines Laptops wurde bereits 1998 ein Labormodell konstruiert und vorgestellt. Die Brennstoffzelle hat eine Leistung von etwa 25 W und ist bestückt mit Membranen, der Wasserstoffspeicher hat eine Kapazität von 400 Wh. Diese Menge an Wasserstoff, etwa 130 l, sind in einem Metallhydridmaterial gespeichert. Beide Komponenten sind in diesem Modell fast nur noch so groß wie die Batterie für den Laptop. Der Wasserstoff reicht allerdings für 10 Stunden Betrieb statt der 2 - 3 Stunden Betriebszeit mit der Batterie. Wenn die beste Batterie, die allerdings relativ teure Li-Ionen-Batterie, als Vergleich herangezogen wird, kann für das Brennstoffzellensystem schon heute eine höhere Energiedichte pro Volumeneinheit realisiert werden. Die lange Lebensdauer und gute Recyclingkonzepte bieten einen weiteren Vorteil gegenüber Batterien.

Die bislang gebauten Prototypen dienten als Demonstrationsobjekte, um Firmen für eine Weiterentwicklung der Streifenmembranbrennstoffzelle zu interessieren. Marktpotential, Umweltvorteile und Energiedichte sind positiv zu bewerten.

Das Entwicklungspotential ist noch groß, eine Miniaturisierung aller Komponenten steht als nächste Herausforderung zur Realisierung an.

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Das Projekt „Streifen-Brennstoffzelle – Brennstoffzellen für die Energieerzeugung in kleinen portablen elektronischen Geräten“ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft vorgeschlagen.