Zink/Luft-Mikrobrennstoffzelle

1. Einleitung

Im Rahmen dieses Vorhabens soll eine neuartige Zink/Luft-Brennstoffzelle entwickelt werden. Dieses Projekt ist Teil des thematischen Schwerpunktes "Leitinnovation Mikrobrennstoffzelle" des BMBF-Rahmenprogramms. Zum Konsortium gehören fünf Forschungsinstitute sowie fünf KMUs. Im Rahmen des ZiLuZell-Vorhabens sollen Technologien für miniaturisierte Brennstoffzellen als Schlüsselkomponenten für autarke Mikrosysteme entwickelt und unter Gesichtspunkten der Systemintegration (Chip-on-Cell, siehe Abbildung 1) optimiert werden.

2. Grundlagen

Von den technisch nutzbaren galvanischen Elementen besitzt das Zink/Luft-System mit 170 bis 200 Wh/kg einen der höchsten Energieinhalt (Blei-Akkumulator ca. 40 Wh/kg). Bisher konnte sich das Zink/Luft-System, abgesehen von dem Einsatz in Hörgeräten als primäre Knopfzelle, weder für stationäre noch für mobile Anwendungen auf dem Markt durchsetzen. Gründe dafür sind vor allem die hohen technischen Anforderungen, die aus der Kombination einer Metallelektrode mit einer Gasdiffusionselektrode resultieren. Während des Entladens einer Zn/Luft-Zelle finden in alkalischem Elektrolyten folgende Reaktionen statt:

An der Kathode wird Sauerstoff unter Bildung von Hydroxid reduziert:

        0,5 O₂ + H₂ O + 2e^- ---------> 2OH^-                              E₀ = 0,401V             (1)

An der Anode wird Zink unter Bildung von löslichem Zinkat oxidiert,

        Zn + 4 OH^- ----------> Zn(OH)₄ ^2- + 2 e^-                        E₀ = -1,266V             (2)

das bei Übersättigung unter Wasserabspaltung als schwer lösliche Zinkoxid ausfällt.

        Zn(OH)₄ ^2- -----------> ZnO + H₂ O + 2 OH^-                                                       (3)

Damit ergibt sich als Bruttoreaktion

        Zn + 0,5 O₂ ----------> ZnO                                            U₀ = 1,667 V                 (4)

Es ist ein Hauptmerkmal der Zink-Elektrode, dass das Zink während der Entladung je nach Konstruktion der Elektrode entweder als löslicher Zinkat-Komplex in Lösung geht oder bei Übersättigung des Elektrolyten als ZnO abgeschieden wird. In beiden Fällen ist eine Umkehr des Entladevorgangs im Prinzip möglich. Beim Wiederaufladen wird das Zink wieder als Metall an der Kathode abgeschieden und an der Anode wird O₂ entwickelt. Beim Lade/Entladeprozess entstehen keinerlei schädliche Abgase. Bei der technischen Realisierung von elektrisch direkt wiederaufladbaren Zink/Luft-Systemen sind vor allem zwei wesentliche Probleme zu nennen. Zum einen treten beim wiederholten Laden und Entladen Struktur- und Formveränderungen der Zinkelektrode auf (shape change). Zum anderen ist aufgrund der Karbonatbildung die Lebensdauer der Sauerstoffelektroden begrenzt. Es wurden daher in der Vergangenheit auch erhebliche Anstrengungen zur Entwicklung von sogenannten mechanisch wiederaufladbaren Zink/Luft-Systemen unternommen, bei denen die Zinkelektrode nach jeder Entladung außerhalb der Batterie mittels Elektrolyse regeneriert wird.

Die Zn/Luft-Brennstoffzelle wird vor allem dort Anwendung finden, wo die hohe spezifische Energie (gravimetrische Energie in Ah kg-1) ein Hauptkriterium für den Betrieb darstellt. Die Betriebsdauer des Systems wird allerdings von der umsetzbaren aktiven Masse des Zinks bestimmt. Nach dem Faradayschen Gesetzt beträgt die maximale Kapazität Q für 1 gramm Zink
819 mAh.

3. Aufgaben

Ziel ist es, ein langlebiges, umweltverträgliches und kostengünstiges Energie-versorgungssystem auf der Basis einer Zink-Anode bzw. Luft-Kathode zu entwickeln. Auf Grund der in jüngster Zeit erzielten technischen Fortschritte bei den Herstellungsverfahren für keramische Mikrobauteile erschließen sich neue Lösungsansätze für die Entwicklung neuartiger Brennstoffzellen. Durch die Verwendung keramischer Materialien als Matrix für die aktiven Elemente eignet sich die Mikrobrennstoffzelle auch als mechanischer Träger zur direkten Montage von Mikrosystemen. Der Aufbau der Zn/Luft-Brennstoffzelle ist in Abbildung 2 skizziert. Als zusätzlicher innovativer Ansatz soll ein Mikrocontroller mit integriertem Energiemanagementsystem für den Energiespeicher auf der Platine integriert werden. Die Aufgaben des Karl-Winnacker-Instituts betreffen vorwiegend die elektrochemische Charakterisierung der Zink-Anode bzw. Luft-Kathode sowie der fertigen Brennstoffzelle. Das Projekt wird gemeinsam von den Arbeitsgruppen Technische Chemie und Elektrochemie durchgeführt.

Abbildung 1 : Zink/Luft-Mikrobrennstoffzelle als keramischer Träger für Mikrosysteme

Abbildung 2 : Aufbau der Zink/Luft-Brennstoffzelle