Bio-Brennstoffzelle

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Bio-Brennstoffzelle wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Anders als bei konventionellen Brennstoffzellen sind die Brennstoffe biologische Energieträger. Bio-Brennstoffzellen können biologische Prozesse oder biologische Katalysatoren zur Stromerzeugung nutzen.

Mikrobielle Brennstoffzellen

Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) nutzen lebende Mikroorganismen direkt zur Energiegewinnung. Die Mikroorganismen verarbeiten im Energiestoffwechsel organische Substanzen. Dabei entstehende Elektronen übertragen sie auf eine Elektrode; dadurch kann elektrischer Strom gewonnen werden.

Die Mikroorganismen wirken in der MBZ als Biokatalysator, also als Stoff, der eine chemische Reaktion unterstützt. Denkbare Anwendungen sind die Energiegewinnung aus Abwässern und Abfällen. Die derzeit erreichbaren Stromdichten reichen jedoch noch nicht für eine ökonomisch sinnvolle Nutzung in größerem Umfang aus.

Blutzucker als Energiequelle für Implantate

Eine Blutzucker-Brennstoffzelle könnte den körpereigenen Blutzucker elektrochemisch umsetzen und damit medizinische Implantate mit Energie versorgen. Besonders bei Langzeitimplantaten könnte so ein operativer Batteriewechsel entfallen. Das Prinzip orientiert sich an der Energieerzeugung lebender Zellen.

Am Minuspol wird Glucose mithilfe von Enzymen oxidiert. Der dabei gewonnene Wasserstoff wird in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Elektronen fließen durch einen äußeren Leiter über einen Verbraucher zum Pluspol, während die Protonen durch einen Separator diffundieren. Am Pluspol reagieren Elektronen und Protonen unter enzymatischer Hilfe mit Sauerstoff zu Wasser.

Ablagerungen und die Verkapselung der Brennstoffzelle sind seit den 1970ern ungelöste Probleme. Sie verhindern bisher die Serienreife solcher Implantate.

Enzymatische Brennstoffzellen

Eine enzymatische Brennstoffzelle ist ein spezieller Typ der Bio-Brennstoffzelle. Sie verwendet Enzyme als Katalysatoren für die Oxidation des Brennstoffs. Damit können Enzyme teure Katalysator-Metalle ersetzen.

Enzyme lassen sich vergleichsweise einfach in großer Zahl erzeugen und sind deshalb besser verfügbar als beispielsweise Standard-Platinkatalysatoren. Sie arbeiten gut mit organischen Brennstoffen wie Zucker und Alkohol zusammen. Dadurch kommen günstige Brennstoffe sowie Anwendungen in der Medizintechnik, etwa bei Implantaten, infrage.

Nachteile sind die deutlich kürzere Haltbarkeit von Enzymen und ihre größere Anfälligkeit gegenüber aggressiven Reaktionsbedingungen.

Mögliche Anwendungen

Stand 2012 gab es noch keine kommerzielle Anwendung von Bio-Brennstoffzellen. Forschungsprojekte lassen jedoch zwei Einsatzbereiche erwarten:

• Energy Harvesting: batterieunabhängige Stromversorgung von Implantaten, zum Beispiel durch eine Blutzucker-Brennstoffzelle.
• Verwertung biogener Reststoffe, etwa in Abwässern, mithilfe mikrobieller Brennstoffzellen.