Photopower fürs Mikrolabor

Vollständig integrierte Solar-getriebene Mikrofluidik-Wasserstoff-Brennstoffzelle könnte Mikrosensoren mit Strom versorgen

15.06.2017 - Japan

Miniaturisierte Bauteile wie etwa Mikrosensoren oder Chiplabors benötigen häufig ebenfalls miniaturisierte, netzunabhängige Stromquellen. Auf der Suche nach geeigneten autonomen Systemen haben japanische Wissenschaftler jetzt ein vollständig integriertes Mikrofluidik-Bauelement entwickelt. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, besteht es aus aus einem miniaturisierten photokatalytischen Wasserstoffgenerator und einer Mikrobrennstoffzelle, deren Wasserstoffenergie ausreicht, um zum Beispiel einen Mikrosensor für die tägliche Datenübertragung mit Strom zu versorgen.

Verkleinern hat seine besonderen Herausforderungen. Das zeigt sich besonders bei miniaturisierten autonomen Systemen wie Chiplabors, bei denen ganze Laboratorien als Mikrofluidiksystem auf einer Plastikkarte untergebracht sind, oder bei Mikrosensoren. Eine eigene, netzunabhängige Stromversorgung wäre sinnvoll; die gängige Batterietechnik ist jedoch unhandlich und lässt sich nur schwer in miniaturisierte Systeme integrieren. Yuriy Pihosh von der Universität von Tokio und seine Kollegen konzentrieren sich deshalb auf mikrofluide Bauelemente: Sie entwickelten einen photokatalytischen Mikro-Wasserstoffgenerator in Verbindung mit einer Mikro-Wasserstoffbrennstoffzelle, alles als einem Mikrofluidik-Chip. Wie sie berichten, kann dieser solargetriebene Mikrostromerzeuger andere miniaturisierte Elemente stetig und bei Raumtemperatur und normalem Druck mit Energie versorgen.

Ein Glasträger dient als Plattform für die beiden Module: den Mikro-Wasserstoffgenerator und die Mikrobrennstoffzelle, die durch Mikro- und Nanokanäle miteinander verbunden sind. In diesen beiden Mikrofluidik-Modulen befinden sich "erweiterte Nanokanäle" zum Protonenaustausch zwischen Elektrolyt und Elektrode – diese leiten ausgezeichnet Protonen, und bieten, so die Autoren, einen viel schnelleren Protonentransport als konventionelle Nafion-Protonenaustauschmembranen. Auch die Photoanode für die photokatalytische Wasserspaltung ist innovativ: Sie besteht aus Metalloxid-Nanostäbchen, an denen Wasserstoff mit nachgewiesenem Rekord-Wirkungsgrad produziert wird. Die durch die Wasserspaltung erzeugten Gase, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, werden dann separat durch Mikrokanäle zur Mikro-Brennstoffzelle transportiert. Deren Aufgabe ist es, Sauerstoff, Protonen und Elektronen unter Stromgewinn wieder zu Wasser zusammenzuführen; dieser Strom kann dann zum Beispiel integrierte Sensoren versorgen.

Da das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser wieder zum ersten Modul zurückgeführt wird, liegt ein geschlossener Kreislauf vor, und die Stromerzeugung hängt nur von Licht ab. Versuche ergaben eine stetige Wasserstoffproduktion pro Tag, "äquivalent zu 35 Millijoule gespeicherter Energie; genug, um einen Mikrosensor für 24 Stunden Datenübertragung mit Strom zu versorgen", berichteten die Wissenschaftler. Integriert werden müssen allerdings noch Mikrogastanks als Gaszwischenspeicher, um zu vermeiden, dass sich ein Überdruck an erzeugtem Gas bildet. Das Problem sei aber einfach zu beheben, meinen die Autoren.

Als Anwendungen schlagen sie autonome Mikrosensoren mit Netz- und Batterie-unabhängiger Stromversorgung sowie die extrem materialeffizienten Chiplabor-Techniken vor.

Originalveröffentlichung

Pihosh, Y., Uemura, J., Turkevych, I., Mawatari, K., Kazoe, Y., Smirnova, A. and Kitamori, T.; "From Extended Nanofluidics to an Autonomous Solar-Light-Driven Micro Fuel-Cell Device"; Angew. Chem.; 2017

https://www.chemie.de/news/163669/photopower-fuers-mikrolabor.html