Biobrennstoffzelle im Kleinformat läuft mit Alkohol

Amerikanische Wissenschaftler haben eine Biobrennstoffzelle im Kleinformat entwickelt: Der Prototyp ist nur drei Zentimeter lang und läuft statt mit Wasserstoff mit Ethanol. Möglich wird dies durch den Einsatz von Enzymen, die als biologische Katalysatoren fungieren.

Bereits vor zwei Jahren hatte die Arbeitsgruppe von der Universität von Saint Louis mit einer funktionstüchtigen Biobrennstoffzelle Schlagzeilen gemacht, die mit dem Alkohol Ethanol betrieben wird. In einem solchen System laufen im Prinzip dieselben chemischen Reaktionen ab wie in einer herkömmlichen Zelle: Der im Ethanol enthaltene Wasserstoff reagiert an einer hauchdünnen Membran mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser. Doch statt anorganische Katalysatormaterialien wie Platin halten in einer Biobrennstoffzelle Enzyme die chemische Reaktion am Laufen. Ähnliche organische Verbindungen sind beispielsweise auch dann aktiv, wenn in lebenden Zellen Alkohol umgesetzt und abgebaut wird.

Diese Enzyme sind jedoch sehr sensibel: Sie arbeiten nur bei bestimmten Temperaturen und Säuregraden und bauen sich schnell ab. Die amerikanischen Wissenschaftler statteten die Brennstoffzellen daher mit einem porösen Kunststoffmaterial aus, das den Enzymen günstige „Lebensbedingungen“ bot. So konnte die Brennstoffzelle ihre Leistungsfähigkeit über Wochen hinweg beibehalten. Prototypen eines solchen Systems liefen nicht nur mit reinem Ethanol, sondern auch mit Wodka, Gin, Weißwein und sogar mit abgestandenem Bier.

Nun haben die Entwickler ihr System soweit verkleinert, dass es auf einem nur wenige Quadratzentimeter großen Chip Platz findet. Der Alkohol fließt dabei durch einen drei Zentimeter langen und 0,2 Millimeter breiten Kanal, der mit einem Anodenmaterial aus Kohlenstoff ausgekleidet ist. Bedeckt ist der Kanal mit einer Membran, an die die Enzyme gebunden sind. In ihren Versuchen ließen die Forscher die winzige Menge von einem Millionstel Liter Ethanol pro Minute durch den Kanal fließen, was etwa einem Verbrauch von einem Schnapsglas pro Woche entsprach.

Entsprechend gering war auch die mit dieser Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung: Pro Quadratzentimeter maßen die Entwickler eine Stromstärke von 53 Mikroampere bei einer Spannung von 0,34 Volt. Damit ist das System zwar noch weit von einem praktischen Einsatz entfernt. Dennoch sehen die Wissenschaftler Anwendungen für ihre Biobrennstoffzellen. Sie könnten beispielsweise als Energielieferanten für Analysegeräte im Miniformat dienen, die auf einem Chip untergebracht sind.