Danske forskere vil sætte mikrobrændselscelle i høreapparater

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.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

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.

Et høreapperalt har levetid på 5 år. Batteriet, holder 6-7 gange mere, end et normalt batteri. Altså, må et normalt høreapparatbatteri holder ca. 8-10 måneder.

Er det hvad nutidens høreapparater klarer?

Hvis man kun behøver at skifte batterier en gang om året, er det tvivlsom om det betaler sig med brændselsceller.

En mulighed kunne være genopladelige batterier. De indeholder mindre energi, men hvis høreapparaterne holder et år på et ikke genopladeligt batteri, må de forventes at holde måneder på et genopladeligt. Det vil også være nemt at genoplade, hvis de tages ud om natten - eventuelt kan det gøres med "trådløs strøm" indstalleret på et natbord.

  • 0
  • 0

@Jens: Fra artiklen:

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

Der er ikke umiddelbar sammenhæng mellem, hvor lang tid selve brændselscellen holder, og hvor ofte der skal påfyldes methanol. Det svarer vel til, at der ikke er direkte sammenhæng mellem, hvor mange gange et genopladeligt batteri kan oplades, og hvor lang tid det holder på en opladning.

Jeg tror du har læst artiklen lige lovlig hurtigt og misset et par pointer. Jeg synes i hvert fald dit indlæg har nogle meget mærkelige antagelser, der er i modstrid med artiklens indhold.

  • 0
  • 0

I vores tempererede klima er der normalt en temperaturforskel imellem øre og omgivende luft. Med de moderne høreapparatets meget lave effektforbrug kunne man måske overveje at udnytte denne lille, men ret vedvarende, hovedvarme?

  • 0
  • 0

I live in the UK and use Danish hearing aids supplied by the National Health Service. My hearing aids last for some 8 days on each battery (presumably more powerful ones use more power and hence only last 4 days). Quite the most irritating issue with the aids I currently use (Danalogic ones), is that the off switch is actually opening the battery compartment. I'm now in my 60s and the number of batteries which have got lost when I picked up the aids in the morning to fit them for the day is unbelievable! The next worst problem is that ultrasound is not properly clipped by the aids, so they feed back infuriatingly when the TV plays sound with ultrasound harmonics - this is happening more and more these days. "Musak" in shops is if anything worse that the TV for high frequency harmonics.

It is important that any work like this does not require that the hearing aids have to be taken to the hearing aid centre (NHS or private) frequently. I'm aware that in Denmark there is a great deal of help for older people to attend such places. In other countries, you are more or less on your own and older people may not be able to attend frequently enough for their aids to continue to work. Danes are all too prone to assume that what happens in Denmark, happens elsewhere and not to think of the logistical issues in other countries. If there are plans to sell these around the world these logistical problems do need to be addressed...

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten