Uni-Logo
Sie sind hier: Startseite Forschung Projektübersicht

Projektübersicht

BZ-Solar

Projektbeschreibung

Projektförderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung-BMBF Projektträger: VDI/VDE-IT Förderkennzeichen: 16SV5011 Projektlaufzeit: 01.04.2010 - 31.03.2011 Im Projekt BZ-Solar geht es um die Entwicklung einer photovoltaisch wiederbeladbaren Knopfzelle mit hoher Energiedichte auf Brennstoffzellenbasis, die zusätzlich sämtliche Komponenten eines Micro Energy Harvesting (MEH) -Systems in sich vereinigt. Das bedeutet, dass sich die Zelle über Sonnenlicht von alleine lädt, d.h. Ladung speichert, und bei Bedarf Strom für das zu betreibende System erzeugt. Dabei beinhaltet die Zelle sogar einen prinzipbedingten Überladungsschutz. Eine derartige Zelle hat den Vorteil, dass auch bestehende Sensorknoten ohne MEH-Wandler mit geringem Mehraufwand und dadurch kostengünstig, zu einem nachhaltigen MEH-System nachgerüstet werden können. Als Vorteil für den Anwender ergibt sich dadurch eine deutlich verlängerte Lebensdauer bzw. eine Verlängerung des Wartungsintervalls für den jeweiligen Sensorknoten. Abbildung 1: Aufbau einer voltaisch wiederbeladbarren Knopzelle auf Brennstoffzellenbasis Integrierte Mikrobrennstoffzellen, wie sie bereits am Lehrstuhl für Prozesstechnologie der Universität Freiburg entwickelt wurden [1-2], sind reversible Energiespeicher auf Mikrochipebene. Eine neuere Entwicklung auf diesem Gebiet ist die siliziumintegrierte alkalische Mikrobrennstoffzelle [3], die im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs „Micro Energy Harvesting“ am gleichen Lehrstuhl entwickelt wurde. In diesem Zelltyp wird zur Energieerzeugung als Metallhydrid (MH) gespeicherter Wasserstoff mit Luftsauerstoff elektrochemisch zu Wasser „verbrannt“. Bisher musste diese Arte der Brennstoffzelle allerdings durch externe Energiequellen wieder aufgeladen werden. Die Energie wird also beispielsweise durch eine Solarzelle generiert und an die Brennstoffzelle weitergegeben. Dabei findet in der Brennstoffzelle eine Elektrolyse statt, bei der Wasserstoff und Sauerstoff generiert werden. Diese Umkehrreaktion lässt sich aber auch mit Hilfe geeigneter Halbleitermaterialien und Sonnenlicht auf photokatalytischem Wege direkt in der Brennstoffzelle selbst erreichen. Ähnlich wie bei einem Halbleiter-Metall-Kontakt bildet sich an Halbleiter-Elektrolyt-Grenzflächen eine Raumladungszone aus. In dieser Raumladungszone können durch Strahlung erzeugte Elektronen-Loch-Paare getrennt werden, die wiederum in der Lage sind, direkte Red-Ox-Reaktionen mit dem Elektrolyten einzugehen (siehe Abb. 2). Abbildung 2: Bandschema und Raktionen einer Metallhydrid/Halbleiter Elektrode unter Beleuchtung in alkalischer Umgebung Bei entsprechender Bandlage des Halbleiters lässt sich auf diese Weise Wasser direkt zu Wasser- und Sauerstoff zersetzen [5]. Befindet sich der Halbleiter im direkten Kontakt mit dem Wasserstoffspeicher, führt dies, je nach Belastung der Zelle, entweder zu einer unmittelbaren Ladung des Speichers mit Wasserstoff oder zu einem zusätzlich nutzbaren Entladestrom der Zelle. Das Ergebnis ist eine photovoltaisch wiederbeladbare Energieversorgung mit integriertem Energiemanagement. Dabei beinhaltet die Speicherzelle sogar einen inhärenten Überladeschutz, da die Bandverbiegung und der damit verbundene Photostrom mit steigendem Ladezustand stetig sinkt und somit einer Überladung entgegengewirkt wird. Durch die Kombination von lichtinduzierter Wasserstofferzeugung und Brennstoffzelle ist es demnach möglich, ein komplettes und sehr kompaktes MEH-System herzustellen, welches sowohl Energie aus der Umgebung „erntet“ als auch speichert. [1] G. Erdler, M. Frank, M. Lehmann, H. Reinecke, and C. Müller. Chip integrated fuel cell. Sensors & Actuators, A:331–336, 2006. [2] M. Frank, G. Erdler, H.-P. Frerichs, C. Müller, and H. Reinecke. Chip integrated fuel cell accumulator. Journal of Power Sources, 181(2):371–377, 2008. [3] C. Bretthauer, C. Müller, H. Reinecke, Design and Fabrication of a MEMS Based Metal Hydride / Air Accumulator for Energy Harvesting, Electrochimica Acta, 54(25), 6094-6098, 2009 [4] Keiji Akuto and Yoji Sakurai, A Photorechargeable Metal Hydride/Air Battery; Journal of the Electrochemical Society, 148 (2) A121-A125, 2001

Laufzeit

01.04.2010 bis 31.03.2011

Projektleitung

Bretthauer C

Ansprechpartner/in

Bretthauer C

Finanzierung

VDI/VDE-IT16SV5011
Benutzerspezifische Werkzeuge