Optimierung von Mikrobrennstoffzellen zur Stromversorgung energieautarker Sensoren

Abstract:
Brennstoffzellen stellen auf Grund ihrer potentiell hohen Energiedichten und Wirkungsgrade einen vielversprechenden Ansatz für die Energieversorgung energieautarker Sensoren dar. In dem Beitrag wird das zeitabhängige und dynamische Verhalten der Mikrobrennstoffzelle bei periodischen pulsförmigen Belastungen analysiert und an Prototypen untersucht. Da sich zusätzliche Peripheriekomponenten in kleinen Systemen nur bedingt mit integrieren lassen wird hier eine passive selbstatmende PEM-Mikrobrennstoffzelle betrachtet. Es wird ein exemplarisches Lastprofil mit Pulslängen von 10 ms zugrundegelegt. In diesem Zeitbereich dominiert der Massentransport der Reaktionsedukte und -produkte das transiente Verhalten und wird daher durch Variation des Öffnungsverhältnisses der offenen Kathoden näher untersucht. Bei Strukturen mit einem sehr kleinen Öffnungsverhältnis zeigt sich eine verbesserte Selbstbefeuchtung der Brennstoffzellenmenbran und weiterhin ausreichende Versorgung durch Sauerstoff. Dadurch wird der Innenwiderstand der Brennstoffzelle minimiert. In einem für Funksensoren technisch relevanten Parameterfeld aus geringer Dauerlast und hohen Impulsleistungen mit unterschiedlichem Tastverhältnis ist es damit möglich, völlig passiv arbeitende, kostengünstig herzustellende planare Brennstoffzellen zu verwenden. Erstmals wurden mit passiven Mikrobrennstoffzellen Impulsleistungen von 220 mW cm^-2 im Dauerbetrieb demonstriert.