Systemaspekte in planaren Mikrobrennstoffzellensystemen

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Aufgrund des steigenden Energiebedarfs elektrischer Kleinverbraucher wird die Mikro-Brennstoffzelle als möglicher Ersatz bzw. Ergänzung für herkömmliche Batterien und Akkumulatoren gesehen [1, 2]. Hierbei gilt die Direktmethanolbrennstoffzelle als ein besonders aussichtsreicher Kandidat, da flüssiges Methanol als Brennstoff vergleichsweise leicht handhabbar ist und eine hohe Energiedichte aufweist [3, 4]. Grundlagen der vorgestellten Arbeiten sind planare in einer Ebene verschaltete Einzelzellen, welche auf der Kathodenseite selbstatmend betrieben werden. Im Gegensatz zur klassischen Stackbauweise wird eine einfache Systemintegration (z.B. in einen Gehäusedeckel) ermöglicht [5-7]. Zur Senkung der Stückkosten wurden verschiedene massenfertigungstaugliche Konzepte erarbeitet und hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert. Eine der Hauptschwierigkeiten für den Betrieb einer Direktmethanolbrennstoffzelle liegt in der Entstehung von Kohlenstoffdioxid-Blasen bei der Oxidation von Methanol auf der Anodenseite. Diese Blasen können sich innerhalb der Gasdiffusionsschicht festsetzen und so die aktive Zellfläche und dadurch die Leistung der Brennstoffzelle verkleinern [8]. Es werden Ergebnisse vorgestellt, die zeigen, dass die Mobilität der Gasblasen durch eine Hydrophobierung bzw. Hydrophilierung der Gasdiffusionsschicht und (oder) durch Integration eines so genannten „microporous layer“ erhöht werden kann [9, 10]. Als alternativer Ansatz wurde ein rein passiver Austrag der Gasblasen untersucht, welcher durch geeignete Mikrostrukturen erreicht werden kann. Aufgrund der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der mikrofluidischen Strukturen und angetrieben durch die Oberflächenspannung bewegt sich die Blase in eine Vorzugsrichtung. Der Transport der Blasen erfolgt ausschließlich passiv - d.h. lediglich angetrieben durch die Kapillarkräfte an der Phasengrenze - wie in Strömungssimulationen nachgewiesen wurde. Erste elektrische Messungen bestätigen die prinzipielle Funktionsweise dieses Ansatzes.