Nominee 1999

Streifen-Brennstoffzelle

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

Dr. Angelika Heinzel (Spokesperson)
Dr. Roland Nolte
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg

(f.l.t.r.) Dr. Roland Nolte, Dr. Angelika Heinzel

Laptops und Camcorder benötigen viel Energie, die sie aus Akkus beziehen. Die aber sind rasch leer und müssen neu geladen werden. Gibt es Alternativen, um tragbare elektronische Geräte längere Zeit mit Strom zu versorgen?

Die Alternative besteht in Brennstoffzellen. Angelika Heinzel und Roland Nolte entwarfen für diese Energiewandler eine besondere Bauform, die sie für den Einsatz in tragbaren Geräten tauglich macht. Angelika Heinzel leitet die Abteilung Chemische Energieverwandlung und Speicherung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, wo auch Roland Nolte tätig ist.

Saubere und effiziente Energie aus der Zelle

An Brennstoffzellen als elektrische Energiequelle für Autos, Kleinkraftwerke und portable Anwendungen wird seit etlichen Jahren geforscht. Denn sie gewinnen Strom durch eine sehr effiziente elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff und Luftsauerstoff, bei der - neben Strom und Wärme - nur Wasser als Reaktionsprodukt erzeugt wird. Umweltschädlichen Emissionen entstehen nicht. Ein weiterer Pluspunkt ist der modulare Aufbau von Brennstoffzellen, durch den sie sich leicht auf eine fast beliebige Größen bringen lassen. Dazu kombiniert man mehrere Zellen miteinander.

Die übliche Bauweise einer Brennstoffzellen-Einheit ist ein Stapel, in dem die Einzelzellen hintereinander geschaltet sind. Dazwischen befinden sich bipolare Platten, die für den elektrischen Kontakt sorgen und die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff über der gesamten Elektrodenfläche verteilen. Für hohe Leistungsdichten, wie man sie etwa in Elektroautos benötigt, ist dieser Aufbau optimal. Für die Nutzung in elektronischen Geräten ist er aber zu komplex. Deshalb haben die Freiburger Fraunhofer-Forscher dafür eine besser geeignete Konstruktionsvariante entwickelt: die Streifen-Brennstoffzelle.

Besonders flach und flexibel

Die Streifenzelle zeichnet sich durch eine besonders flache Bauart aus. Sie liefert die gleiche Spannung wie eine Brennstoffzelle in einem Stapel, doch es wird jede Zelleebene nur entweder mit Wasserstoff oder mit Luft versorgt. Das vereinfacht die Gasverteilung und ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Gestalt. Der Rahmen der Zelle lässt sich einfache und aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff fertigen. Das ist die Voraussetzung für eine künftige preisgünstige Massenproduktion - und einen möglichen Ersatz von Batterien und Akkus in Laptops und Camcordern durch Streifen-Brennstoffzellen.

Für einen Laptop haben die Forscher bereits ein erstes praxistaugliches Labormodell gebaut. Es hat eine Leistung von 25 Watt. Den benötigten Wasserstoff bezieht die Brennstoffzelle von einem Speicher aus Metallhydrid. Zelle und Speicher sind kaum größer als die Batterie für den Laptop. Allerdings: Während die Batterie nur zwei bis drei Stunden durchhält, reicht der Wasserstoff für etwa zehn Stunden Dauerbetrieb.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

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

Weitere Details

Lebensläufe

Dr. Angelika Heinzel

Dr. Angelika Heinzel

23.04.1955
geboren in Delmenhorst
1962 – 1974
Schule, Abitur in Delmenhorst
1974 – 1978
Studium der Chemie an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster
1978 – 1981
Studium der Chemie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
1980
Diplom
1981 – 1985
Promotionsstudiengang an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
1985
Promotion
1980 – 1981
Wissenschaftliche Angestellte an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
1981 – 1985
Wissenschaftliche Angestellte an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
seit 1985
Wissenschaftliche Angestellte am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abteilung „Chemische Energieverwandlung und Speicherung“, Freiburg
seit 1990
Gruppenleiterin Elektrochemie/Brennstoffzellenentwicklung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
seit 1997
Leitung der Abteilung am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg

Dr. Roland Nolte

Dr. Roland Nolte

24.04.1959
geboren in Braunschweig
1978
Schule in Braunschweig, Gymnasium „Martino Katharineum“
1986
Studium der Chemie an der Universität Bayreuth und der Technischen Braunschweig
1989
Promotion an der Technischen Universität München
1998
Adam Opel AG, Global Alternative Propulsion Center

Kontakt

Projektsprecherin:

Dr. Angelika Heinzel
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Oltmannstraße 5
79100 Freiburg
Tel.: +49 (0) 761 / 45 88 194
Fax: +49 (0) 761 / 45 88 320
E-Mail: Heinzel@ise.fhg.de

Pressekontakt:

Karin Schneider M.A.
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Oltmannstraße 5
79100 Freiburg
Tel.: +49 (0) 761 / 45 88 147
Fax: +49 (0) 761 / 45 88 342
E-Mail: kschneid@ise.fhg.de

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.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:

E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

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

Nominiert 1999 · TEAM 4