Brennstoffzelle mit Bestwerten

Mikro-Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte

Nutzer von Laptops und PDAs träumen von einer mobilen Stromquelle, die nicht nach wenigen Stunden versiegt. Wichtige Hoffnungsträger dafür sind kleine, sichere und leistungsstarke Brennstoffzellen, die bereits bei Temperaturen zwischen 20 und 60 Grad Celsius nennenswerte Stromflüsse erzeugen. Dieses Ziel erreichte nun ein Prototyp, den amerikanische Wissenschaftler der University of California und der Pennsylvania State University konstruierten, mit einer Leistungsdichte von 47 Milliwatt pro Quadratzentimeter – ein Spitzenwert für mikrostrukturierte Brennstoffzellen.

In dem gut einen Zentimeter kleinen Modul leiten die Forscher eine wässrige Methanol-Lösung durch filigrane Mikrokanäle. Diese Leitungen mit Durchmessern von bis zu 750 Mikrometern wurden in einen Siliziumträger graviert und bilden die Grundlage für eine Bipolar-Platte zum nötigen Austausch der Ladungsträger. Dabei wandern Protonen aus der Methanol-Lösung durch eine Membran zur Kathode und reagieren mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser. Die freiwerdenden Elektronen fließen parallel durch einen externen Stromkreis. Bei Raumtemperatur konnten die Forscher eine Leistungsdichte von 14,3 Milliwatt pro Quadratzentimeter messen, die mit steigender Betriebswärme auf knapp 50 Milliwatt anstieg.

Ein großer Vorteil dieser Mikrokanal-Zelle liegt in dem Verzicht auf bewegliche Teile wie eine empfindliche Pump-Mechanik, um den Methanolfluss zu gewährleisten. Die durch die Wärme auftretenden Konvektionsströme reichen für einen kontinuierlichen Flüssigkeitstransport durch die Mikrokanäle aus. Ein zuverlässiger Betrieb der Brennstoffzelle war bisher mit einer 1-molaren Methanollösung möglich. Doch erste Versuche mit Konzentrationen von bis zu acht Mol zeigen, dass sich die Protonenzufuhr und damit die Leitungsdichte weiter steigern lässt.

Bisher verlaufen die Mikrokanäle schlangenförmig in einer Ebene, aber die Wissenschaftler planen nun eine dreidimensionale Struktur, um auf geringem Raum höhere Stromausbeuten zu erzielen. In Deutschland entwickelt die Münchener Firma SmartFuelCell ähnliche Brennstoffzellen, die ebenfalls mit Methanol versorgt werden. Neben Prototypen für Laptops und Fernsehkameras stellten sie erst kürzlich ein erstes, allerdings deutlich größeres Produkt für die Stromversorgung in Wohnmobilen vor.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Januar 2004

Weitere Infos:

• T. J. Yen et al., A micro methanol fuel cell operating at near room temperature, Appl. Phys. Lett 83, 4056 (2003).  
• SmartFuelCell:
  http://www.smartfuelcell.de/de/