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Bessere Brennstoffzellen für Laptops
Batterien sind der Fluch der Verbraucher von Unterhaltungselektronik. Sie liefern nur eine begrenzte Menge an Strom, brauchen Stunden zum Aufladen und werden mit der Zeit weniger langlebig. Seit Jahren haben Ingenieure Brennstoffzellen – Geräte, die Strom erzeugen, indem sie einen Brennstoff mit Sauerstoffmolekülen mischen – als eine langlebigere alternative Energiequelle im Auge behalten. Aber die Technologie stößt seit jeher auf Hürden, die es nicht ermöglichen, so praktisch und kostengünstig zu sein wie Batterien.
Jetzt haben Forscher am Biodesign Institute der Arizona State University in Tempe eine Technik entwickelt, die dazu beitragen könnte, bessere Brennstoffzellen für Laptops, militärische Kommunikationsgeräte und möglicherweise auch Mobiltelefone herzustellen. In einer Studie, die gestern auf dem Treffen der American Chemical Society in San Francisco vorgestellt wurde, zeigten Dominic Gervasio, außerordentlicher Professor am Center for Applied Nanobioscience im Bundesstaat Arizona, und sein Team, dass durch Zugabe einer Chemikalie, die in Frostschutzmitteln enthalten ist, zu Natriumborhydrid – einer Flüssigkeit, die zur Lagerung verwendet wird Wasserstoff, das Molekül, das Brennstoffzellen antreibt – sie können eine langlebigere Brennstoffzelle bilden. Der resultierende Kraftstoff könnte einen Laptop doppelt so lange mit Strom versorgen wie jede andere Batterie auf dem Markt, während er im Gegensatz zu vielen anderen Brennstoffzellen einen Betrieb bei Raumtemperatur ermöglicht.
Brennstoffzellen für tragbare Geräte haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da sich die dahinterstehende Technologie ständig verbessert hat. Tatsächlich sind sie inzwischen über die Forschungslabore hinausgegangen und haben ihren Weg in verschiedene Produktionsformen gefunden. Millennium Cell, ein Unternehmen mit Sitz in Eatontown, New Jersey, liefert Brennstoffzellen für militärische Anwendungen. Und bis Jahresende plant Medis Technologies mit Sitz in New York, ein Verbraucher-Brennstoffzellengerät anzubieten, das zum sofortigen Aufladen von Standardbatterien in Mobiltelefonen, MP3-Playern und Laptops entwickelt wurde.
Natriumborhydrid, die Lösung, die von Millennium Cell, Medis und dem Team des Bundesstaates Arizona verwendet wird, wird immer beliebter, um Wasserstoff für tragbare Brennstoffzellen zu speichern, sagt Gervasio. Ein Grund dafür ist, dass es mit dem am weitesten verbreiteten Brennstoffzellendesign verwendet wird. Diese Art von Brennstoffzelle funktioniert, indem sie Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert, um elektrischen Strom zu erzeugen. Darüber hinaus können Systeme, die Natriumborhydrid verwenden, so klein wie herkömmliche Batterien gemacht werden, da die Lösung eine große Menge Wasserstoff in einem kleinen Volumen speichert. Darüber hinaus ist es eine relativ sichere Flüssigkeit, die nicht brennbar ist. Du könntest ein Streichholz nehmen und es hineinlegen, sagt Gervasio.
Um als Batterieersatz erfolgreich zu sein, müssen sich diese Brennstoffzellen jedoch deutlich besser bewähren als die Batterien, die sie ersetzen wollen, sagt Gervasio. Derzeit produzieren die meisten Natriumborhydrid-Brennstoffzellen nur geringfügig mehr elektrische Energie pro Volumen Brennstoff als herkömmliche Batterien, sagt er. Um die Leistung ihres Brennstoffzellensystems zu steigern, wussten Gervasio und sein Team, dass sie die Menge an Wasserstoff erhöhen mussten, die der Brennstoffzelle aus der Natriumborhydrid-Lösung zur Verfügung stand.
Mikrobrennstoffzellensysteme bestehen im Allgemeinen aus drei Teilen: einer Brennstoffkartusche, einer Hydrolysekammer, in der Wasserstoff aus dem flüssigen Brennstoff gewonnen wird, und einer Brennstoffzelle, in der sich Wasserstoff mit Sauerstoff vermischt und Strom erzeugt. Im System der Forscher des Bundesstaates Arizona wird ein Gemisch aus Wasser und Natriumborhydrid aus der Kartusche in die Hydrolysekammer gepumpt, die einen Katalysator enthält. Der Katalysator löst eine chemische Reaktion aus, die Wasserstoff aus der Natriumborhydrid-Lösung freisetzt und Nebenprodukte erzeugt, die aus der Kammer zurück in die Tankpatrone gepumpt und später entsorgt werden.
Es erscheint logisch, dass eine Erhöhung der Konzentration von Natriumborhydrid die Produktion von Wasserstoff erhöhen und ein leistungsfähigeres Brennstoffzellensystem ergeben würde. Allerdings, sagt Gervasio, gibt es bei diesem Szenario ein verstecktes Problem. Eines der Nebenprodukte der Hydrolysereaktion ist Boroxid, eine Verbindung, die sich nicht leicht in Wasser löst. Wenn also die Konzentration von Natriumborhydrid steigt, steigt auch die Konzentration des festen Boroxids, das das Pumpsystem verklebt und die Verwendung von Natriumborhydrid einschränkt, sagt Gervasio.
Um dieses Problem anzugehen, testeten Gervasio und sein Team Lösungsmittel, die Boroxid lösen. Sie fanden heraus, dass sie durch Zugabe von Ethylenglykol zur Borhydridlösung eine um 50 Prozent höhere Konzentration von Natriumborhydrid verwenden könnten als eine ohne Ethylenglykol in der Lösung – wodurch die Menge an Wasserstoff, die gespeichert und freigesetzt werden kann – erhöht wird, ohne dass unerwünschte Klumpen entstehen von Boroxid. Der Unterschied, sagt Gervasio, sei ein Brennstoffzellensystem, das ein Gerät etwa doppelt so lang mit Strom versorgen kann wie eine Batterie gleicher Größe und gleichem Gewicht.
Ethylenglykol sei nicht nur wegen seiner Fähigkeit, Boroxid zu lösen, nützlich, sondern auch, um die Temperatur des Wassers in der Brennstoffzelle zu steuern, fügt Gervasio hinzu. Ethylenglykol senkt den Gefrierpunkt und erhöht den Siedepunkt von Wasser in Brennstoffzellen, ebenso wie im Frostschutzmittel des Kühlsystems eines Autos. Ein verringerter Gefrierpunkt verhindert, dass das Wasser in der Natriumborhydrid-Lösung an einem kalten Tag zu Eis wird, während ein erhöhter Siedepunkt das System bei höheren Temperaturen reibungsloser laufen lassen könnte.
Tatsächlich ist das Wärmemanagement ein Aspekt der Brennstoffzellentechnologie, den Ingenieure bei der Entwicklung effizienter Brennstoffzellen berücksichtigen müssen, sagt Jack Brouwer, stellvertretender Direktor des National Fuel Cell Research Center an der University of California, Irvine. Und er ist der Meinung, dass die Forschung im Bundesstaat Arizona in dieser Hinsicht eine wirklich interessante Arbeit ist.
John Battaglini, Vizepräsident für Vertrieb, Marketing und Produktmanagement bei Millennium Cell, sagt, sein Unternehmen habe ähnliche Ansätze bei der Entwicklung von Brennstoffzellen verfolgt; und fügt hinzu, dass er froh ist, dass sich mehr Leute mit Natriumborhydrid beschäftigen, und erwartet, dass dies zu weiteren Fortschritten auf der ganzen Linie führen wird.
Derzeit untersucht das Team von Gervasio verschiedene Arten von Alkoholadditiven, die Boroxid so gut oder besser auflösen als Ethylenglykol. Er schätzt, dass es etwa fünf Jahre dauern kann, bis sein System in einen Consumer-Laptop integriert wird. Aber der Ball rollt: Er hat eine Reihe von Patenten auf die Technologie angemeldet und ist in Gesprächen mit Geräteherstellern über seine jüngsten Fortschritte. Darauf habe ich viel Hoffnung, sagt er.