Wasserstoffkraftwerke für die Westentasche: Mini-Brennstoffzellen sollen Camcorder, Laptop und Co neue Energie verleihen
Piep, Piep, Low Battery – traurige Augen im Kinderzimmer, Stirnrunzeln bei Papa: Der Plastikroboter wackelt nicht mehr über den Teppichboden und der Bildschirm vom Laptop bleibt dunkel. Immer dasselbe: Kein Saft mehr im Akku.
Was Verbraucher nervt, spornt Forscher an: Sie suchen händeringend nach neuen Stromquellen, die lange durchhalten und umweltfreundlich sind. Dabei ist seit einigen Jahren eine Energiequelle ins Blickfeld gerückt, die eigentlich für künftige Autos gedacht war: die Brennstoffzelle. Sie wandelt die chemische Energie von Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff in Strom um, und das so lange, wie Wasserstoff im Tank ist – wie beim Benzin im Verbrennungsmotor. Immer mehr Automobilunternehmen und Kraftwerkbetreiber erliegen dem Charme der Brennstoffzelle: der Trennung zwischen Speicher und Energieerzeugung – und deshalb beliebig langen Betriebszeiten. Sie schätzen die Umweltfreundlichkeit der Brennstoffzelle, die hauptsächlich Wasserdampf emittiert, und die Unabhängigkeit von Erdölressourcen.
Angelika Heinzel vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg ist nicht an großen Brennstoffzellen für Autos interessiert, sondern an Minizellen für transportable Geräte – auch wenn es da einige Nachteile gibt: „Brennstoffzellen fürs Auto oder Kraftwerk haben eine aufwendige Peripherie mit Kühlung oder Befeuchter. Das können wir uns im portablen Bereich nicht leisten. Wir müssen möglichst ohne mechanische Teile auskommen.” Da die Mini-Zelle auf den Massenmarkt zielt und selbst Kinder damit wie mit normalen Batterien umgehen sollen, müssen die Zellen sicher, zuverlässig und robust sein.
Bereits 1998 zeigte das Freiburger Team auf der Hannover-Messe einen Prototyp, der einen Laptop mit Strom versorgte. Im März dieses Jahres stellten sie eine verbesserte Version vor und schoben sich damit im weltweiten Wettlauf mit anderen Forschergruppen auf einen der vorderen Plätze.
Einer der wichtigsten Konkurrenten sitzt in den USA. Dort entwickelte bereits in den sechziger Jahren General Electric für das Gemini Raumflugprogramm eine Brennstoffzelle mit Proton Exchange Membrane (PEM), die anschließend für die Apollo-Missionen verbessert wurde. In den achtziger Jahren verfeinerte das Los Alamos National Laboratory die PEM-Zelle und schloß später eine Partnerschaft mit General Motors, Dow Chemical und dem kanadischen Unternehmen Ballard Power Systems, um gemeinsam eine mobile Brennstoffzelle für Autos zu entwickeln. Dieser Grundlagenforschung entstammen auch die Gedanken an eine Mini-Brennstoffzelle. Seit 1997 arbeitet das kalifornische Unternehmen DCH Technology aus Valencia an einer Wasserstoffzelle, die im Februar 2000 auf den Markt kam. Die einzelnen Zellen sind zu einem zylinderförmigen Paket zusammengefügt, das etwa 15 Zentimeter lang ist und einen Durchmesser von sieben Zentimetern hat. Nach Herstellerangaben soll die Brennstoffzelle zwölf Watt leisten, die Spannung beträgt zwölf Volt, denn „viele elektronische Geräte arbeiten mit dieser Spannung”, erklärt David P. Habermann, Geschäftsführer von DCH.
Anfang des Jahres gaben Wissenschaftler des Handy-Herstellers Motorola bekannt, daß sie gemeinsam mit ihren Los-Alamos-Kollegen an einer miniaturisierten Brennstoffzelle arbeiten, die Methanol statt Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt. Die grundlegenden chemischen Prozesse laufen in dieser Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gleich ab wie in der reinen Wasserstoffzelle, allerdings ist die Speicherung von Methanol wesentlich einfacher.
Zum Beweis zeigten die Motorola-Forscher kleine Plastik-Fläschchen mit etwa 50 Milliliter Inhalt, die wie Tintenpatronen für Füllfederhalter aussehen und sich genausoleicht wechseln lassen. Die nur 25 Millimeter im Quadrat messende und etwa 2,5 Millimeter dicke Brennstoffzelle kann mit einer Patrone einen Laptop 20 Stunden in Schwung halten, behauptet Motorola-Sprecher Wyman Scott. Andere Experten bezweifeln das. Laut Angelika Heinzel reicht die Leistungsdichte der Direkt-Methanol-Zelle nicht an die Leistungsdichte des Wasserstoffsystems heran. Deshalb eignen sich Zellen mit Methanol als Brennstoff nur für kleine Leistungen, wie sie beispielsweise für ein Handy gebraucht werden.
Ebenfalls eine Methanolzelle entwickelt der Physiker Robert Hockaday aus dem Los-Alamos-Team, der sich 1994 mit seiner Firma Energy Related Devices selbständig gemacht hat. In Hockadays Entwicklung liegen die einzelnen Zellen nebeneinander und werden plan miteinander verschaltet. „Als ich diese Streifenzelle zum ersten Mal gesehen habe, war ich überrascht, wie sehr sie unserer eigenen Zelle gleicht”, kommentiert Angelika Heinzel die Parallelentwicklung in den USA, „obwohl wir beide voneinander nichts wußten.” Dennoch gibt es Unterschiede: „Das Kernstück, die Membran, ist völlig anders”, verrät die Forscherin. „Wie sie jeweils hergestellt wird, ist das Laborgeheimnis jedes Teams.”
Wie sehr die Amerikaner deutsches Know-how schätzen, wurde letztes Jahr auf einem Fuel-Cell-Kongreß in der Schweiz deutlich. Dort knüpfte Robert Hockaday Kontakte zu Arthur Koschany, der in Bayern eine Firma namens NovArs gegründet hat. Im Mai 2000 gab Manhatten Scientifics bekannt, daß sie eine Brennstoffzelle im Auftrag der US-Armee entwickeln soll mit der Technologie von NovArs. Koschanys Zelle verwendet Wasserstoff als Füllgas und soll 15 bis 30 Watt Leistung abgeben, geeignet für die mobile Kommunikationsausrüstung von Soldaten. Darüber hinaus plant Manhatten Scientifics, die Akkus in motorisierten Fahrrädern, Rollstühlen, Golfcaddys und vielen anderen netzunabhängigen Geräten bis hin zu Küchenmaschinen durch Brennstoffzellen zu ersetzen.
Weil portable Geräte immer kleiner werden, sind Forscher fieberhaft bemüht, die schon kleinen Energiewandler noch weiter zu schrumpfen. Vor kurzem demonstrierte die Case Western Reserve University in Cleveland, USA, eine nur fünf Kubikmillimeter große Zelle, also kaum größer als ein Stecknadelkopf. Mit Hilfe von Mikrotechnik versuchen die Forscher die einzelnen Bauelemente der Zelle wie Anode, Kathode und Elektrolytmembran samt Katalysator direkt auf ein Substrat zu drucken – ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker Farbe aufs Papier spritzt. Robert Savinell, Direktor der Case School of Engineering glaubt, daß künftig Wasserstoffzellen zusammen mit elektronischen Schaltkreisen oder Mikroprozessoren auf einen Mikrochip passen und millionenfach von automatischen Fertigungsmaschinen hergestellt werden können. Auch die Fraunhofer-Forscher in Freiburg nutzen die Mikrosystemtechnik. Ein Prototyp ist ein Quadratzentimeter groß, 2,5 Millimeter dick und besteht aus fünf übereinander geschichteten Zellen, die zusammen 250 Milliwatt leisten. Aber auch diese Brennstoffzelle ist noch lange nicht serienreif. Das größte Problem ist der Wasserhaushalt der Membranfolie. Im Prinzip ist die Folie zwar ein fester Elektrolyt, kann aber nach dem heutigen Entwicklungsstand nur im feuchten Zustand
die Wasserstoffionen leiten. Bleibt die Brennstoffzelle einige Tage ungenutzt, trocknet sie aus und springt nicht mehr an. Andererseits produziert sie – neben Strom – auch Wasser. Wird es nicht aus der Zelle transportiert, werden die mikrofeinen Gaskanäle überflutet und der Stromkreislauf bricht ab. Heinzel: „ Diese Probleme sind noch nicht gelöst.” Ansätze dazu gibt es. Die Freiburger Forscherin verweist auf einen zweiten Prototypen, der 50 Watt Leistung erzeugt. Diese Zellenkombination sieht aus wie eine kleine Diskusscheibe. In der Mitte surrt ein Ventilator, der Luft in die Zelle bläst. Da die Brennstoffzelle für die chemische Reaktion den Sauerstoff aus der Luft nutzt, wird das Sauerstoffangebot in der Zelle erhöht. Außerdem wird überschüssiges Wasser abgeleitet. Das Wasser entweicht unsichtbar als Wasserdampf, denn im Betrieb herrschen in einer PEM-Brennstoffzelle Temperaturen zwischen 50 und 80 Grad Celsius. Die Forscher hoffen, durch eine spezielle Geometrie von Zelle und Luftlöchern bald auch ohne Ventilator auszukommen, denn im Handy wäre der nicht akzeptabel.
Ein weiteres Problem, die Spannungsanpassung der Zelle an den Verbraucher, hat das Freiburger Team im 50-Watt-Zellenpaket elegant gelöst. Ein elektronischer Gleichstrom-Wandler transformiert die Ausgangsspannung der vier Einzelzellen von insgesamt 2,8 Volt auf 18 Volt.
Angelika Heinzel dämpft zu hohe Erwartungen: „Frühestens in zwei Jahren können wir eine brauchbare Mini-Brennstoffzelle abliefern.” Andere Hersteller nennen Zeiträume zwischen zwei und fünf Jahren. Werden dann Batterien und Akkus überflüssig sein? Heinzel schränkt ein: „Wo Primärbatterien jahrelang ihren Dienst tun wie in Armbanduhren, brauchen wir keine Brennstoffzelle.” Bei vielen anderen Anwendungen wird die Brennstoffzelle eine harte Konkurrenz zu herkömmlichen Batterien sein, vor allem wegen der geringen Kosten. Ein Watt kostet bei Akkus oder Alkalibatterien etwa zehn Mark. Diesen hohen Preis wollen die Brennstoffzellen-Entwickler locker unterbieten. Die Freiburger Energieforscher haben bereits einen Industriepartner gefunden, für den sie eine Brennstoffzelle im kleinen Leistungsbereich entwickeln. Wer das ist, will Heinzel nicht verraten.
Kompakt Freiburger Forscher haben eine Mini-Brennstoffzelle ersonnen, die aus Wasserstoff oder Methanol Strom für mobile Geräte erzeugt. Technische Probleme scheinen überwindbar – in zwei Jahren könnte der Batterie-Ersatz marktreif sein.
Bdw community INTERNET Minibrennstoffzellen des Fraunhofer- Instituts ISE: www.ise.fhg.de/Products/ brennstoffzelle_german.html
Kontakt Fraunhofer-Institut für Solare EnergiesystemeOltmannsstraße 5, 79100 Freiburg
Lesen Fraunhofer-Magazin 2/2000: Beiträge zu Lithium-Flachbatterien und Mini-Brennstoffzellen. Das komplette Heft in Farbe als pdf-Datei im Internet: www.fhg.de/german/publications/df/index.html
oder bei: Fraunhofer- Gesellschaft, Öffentlichkeitsarbeit, Leonrodstraße 54, 80636 München.
Rolf Sterbak
