En methanolbrændselscelle skal inden for få år erstatte det traditionelle zinkluftbatteri i høreapparater og sikre langt længere brug uden udskiftning.

Det er planen bag et projekt som Teknologisk Institut står i spidsen for, og som har fået bevilget 15 millioner kroner fra Højteknologifonden. Desuden skød Videnskabsministeriet i 2008 42 millioner kroner i nyt renrumsudstyr til placering på DTU Danchip.

Centerchef på Teknologisk Institut Leif Højslet Christensen fortæller, at den forestående Micro Direct Methanol Fuel Cell (µDMFC) vil kunne holde høreapparatet i drift en måned, og at apparatet i denne periode kan klare sig med en simpel påfyldning af methanol ca. hver tredje dag i en dockingstation. Til sammenligning bliver almindelige batterier flade og smides væk efter blot fire dages brug.

»Det vil kun tage ca. 10 sekunder at fylde cellen op igen og kan eventuelt klares om natten. Det har altid været en øvelse for ældre mennesker at skulle skifte de meget små batterier, men med dette system skal de højst skiftes en gang om måneden,« siger Leif Højslet Christensen.

Særlig dansk niche
Det endelige mål er dog, at cellen skal kunne holde lige så lang tid som høreapparatet, der har en gennemsnitslevetid på fem år.

»Årsagen til, at vi har valgt methanol er, at det har seks-syv gange større energitæthed end et almindeligt batteri. Men det bliver et kompliceret projekt som ingen tidligere har set på til dette formål, så det er klart et højrisikoprojekt,« understreger Leif Højslet Christensen.

Teknologisk Institut har slået sig sammen med høreapparatproducenten Widex samt forskere fra DTU Nanotech og Kemisk Institut/iNano fra Aarhus Universitet om udviklingen af produktet, de kalder for MicroPower.

Widex står i dag for ca. 10 procent af de otte millioner høreapparater, der hvert år bliver solgt på verdensplan.

»Der bliver forsket en del i brændselsceller til computere og mobiltelefoner, men i Danmark har vi en helt særlig niche inden for høreapparater, og derfor regner vi ikke med den store konkurrence. Det økonomiske potentiale vil dog være stort, når vi forhåbentligt kan begynde en produktion om nogle år,« siger Leif Højslet Christensen.

Opladning på 10 sekunder
Succeskriteriet for denne mikrobrændselscelle er, at den skal have en energieffektivitet på mindst 25 og gerne 40 procent, hvor de gængse zinkluft-batterier har en effektivitet på 35 procent. Den skal levere en spænding på 1,5 V, og så skal både spændings- og energiniveauet ligge stabilt de dage, der går frem mod den næste påfyldning af methanol.

Pumpen i dockingstationen drives i øvrigt også af en mikrobrændselscelle.

»Vi har jo lært af branchen, at der er et lige så stort marked for tilbehør til høreapparater, så vi fokuserer meget på brugervenlighed og design under hele processen. Vi går blandt andet op i, at opladningen skal kunne klares, uden at man skal fumle for meget rundt med det,« siger Leif Højslet Christensen.

Udfordring at få plads til det hele
Rent teknisk vil udfordringen i høj grad gå på at få plads til alle elementerne i cellen, som får en størrelse på 5,8 x 3,6 mm, der svarer til dimensionerne på det traditionelt benyttede zinkluftbatteri.

Det vil sige, at der ligger et stort arbejde i at konstruere et integreret system bestående af en membran samt katalyselag med mikrofluide tilslutninger og et methanol-reservoir inden for denne størrelse. Det er her, nanoteknologien kommer i spil.

En gængs Nafion-membran, der normalt bliver brugt til små brændselsceller, er således 140 µm tyk, mens den nye membran til høreapparatet kun må være 30-40 µm tyk. Desuden, fortæller Leif Højslet Christensen, skal der arbejdes med at begrænse crossover-effekten, hvor methanolen så at sige bare løber igennem hullerne i membranen uden at give den store energi fra sig.

Derfor arbejder forskerne på et særligt polymernetværk med nanopartikler, der holder på den vandfortyndede methanol på anodesiden, så det ikke vandrer over i katodesiden.

På trods af den lille størrelse er det samtidig vigtigt at beholde et stort overfladeareal for at sikre en effektiv katalytisk process, hvor hydrogen-ionerne skilles fra methanolen. Derfor konstruerer forskerne et lag mellem membranen og methanol-reservoiret, der er porøst og belagt med nano-katalysepartikler.

Et tilsvarende lag konstrueres på modsatte side af membranen ud mod luftindtaget og udgør katode katalyselag og elektrode. Anvendelsen af nanopartikler vil give et overflade areal der er tre-fem gange større og dermed give en forøget effektivitet.

Demo om halvandet år
Nanokatalystpartiklerne vil være baseret på platin, hvor f.eks. en platin-ruthenium-forbindelse kan bruges på anodesiden, da denne har en større tolerance mod CO, der normalt degraderer effektiviteten.
Der opstår en spændingsforskel, når de positive protoner passerer gennem membranen, mens elektronerne på anodesiden ledes gennem høreapparatet og tilbage til katodesiden.

»Vi satser på at have en demo færdig om et år til halvandet, der dog ikke bliver helt så lille, at den kan bruges i et høreapparat. Men inden for fire-seks år skulle vi gerne være på markedet med et produkt,« fastslår Leif Højslet Christensen, som allerede har fået lovning på, at der er plads til produktionen i renrummet hos Danchip på DTU.

Lykkedes projektet er potentialet også stort. Et høreapparat holder typisk i fem år, og salget af batterier løber op i et antal af omkring 3,6 milliarder årligt, hvilket ifølge partnernes regnestykke betyder, at 50 millioner mikrobrændselsceller årligt vil kunne klare 10 procent af verdensmarkedet og sikre en producent 500 millioner kroner.

»Der kan jo også være et marked for dem til sensorer, GPS’er og andre steder, hvor man har brug for små batterier. Men det kommer jo an på, hvor langt ned i pris, vi kan få dem,« siger Leif Højslet Christensen.