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Foto: EUHA/Foto Rechtnitz

Seit mehreren Jahren arbeitet die Firma Widex Hörgeräte GmbH an der Brennstoffzellentechnologie für Hörsysteme. In seinem Vortrag in Raum Hongkong gab Simon Müller, audiologisch-wissenschaftlicher Leiter bei Widex, einen Einblick in den aktuellen Entwicklungsstand. „Es ist ein spannendes Thema, das viele in der Branche beschäftigt“, sagte Müller einleitend. Widex sei weiterhin an dieser Technologie interessiert, die es erlaube, in wenigen Sekunden Strom zu erzeugen. Der Zeitpunkt der Markteinführung sei allerdings nicht absehbar.

Bereits im Jahr 1839 entwickelt und beim Bau des Telegrafennetzes in den Vereinigten Staaten eingesetzt, war die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mithilfe von Wasserstoff und Sauerstoff zunächst erfolgreich. Jedoch konnte die Technologie in Konkurrenz zu den wesentlich günstiger stromproduzierenden Dampfmaschinen nicht bestehen und geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlebte sie ein Comeback und wurde von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) für die Bordelektronik bei Apollo- und Gemini-Missionen eingesetzt. „Ohne die Brennstoffzelle wäre es nicht möglich gewesen, auf dem Mond zu landen“, erklärte Müller.

Inzwischen setzen viele Industriezweige auf die Brennstoffzelle – besonders im Automobilbereich – aber die Entwicklung berge noch Herausforderungen, auf die Müller im Laufe seines Vortrages näher einging. Zunächst erklärte er den Nürnberger Kongressteilnehmern die Funktionsweise einer Brennstoffzelle, die üblicherweise mit Wasserstoff betrieben wird. Dieser könne auch durch den einfachen organischen Alkohol Methanol ersetzt werden, der sich wegen seiner hohen Energiedichte als idealer Kraftstoff auf kleinstem Raum eigne, wie etwa in Hörsystemen. Die Stromgewinnung erfolge durch eine Redoxreaktion, also das Zusammenwirken einer Oxidation und einer Reduktion. Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle treffe die Methanollösung auf eine Katalysatorschicht, an der Wasserstoffionen und Elektronen abgespalten werden. Restprodukt ist ein kleiner Teil Kohlendioxid. Lediglich die neu entstandenen Wasserstoffionen wandern durch eine semipermeable Membran hindurch auf die Kathodenseite, wo sie mit dem dort zugeführten Sauerstoff zu Wasser reagieren. Die an der Anode entstandenen Elektronen werden von der Membran daran gehindert, direkt zur Kathode zu wandern – sie bewegen sich über einen elektrischen Leiter dorthin und verbinden sich dann mit den Sauerstoffmolekülen – Strom fließt. Simon Müller bezeichnete das Verfahren als eine „sehr elegante Weise der Stromerzeugung“, die jedoch „hochkomplex“ sei.

Widex habe sich zum Ziel gesetzt, mit einer Füllung von nur drei Tropfen Methanollösung in der Brennstoffzelle das Hörsystem für einen Zeitraum von 24 Stunden zu betreiben. Da die Kunden sich eine schnelle Energieversorgung mit einfacher Handhabung wünschten, solle die Befüllung maximal so viel Zeit in Anspruch nehmen wie ein Batteriewechsel, möglichst unter 20 Sekunden. Eine Kartusche müsse zwei Hörsysteme für vier Wochen versorgen. Den Produktdesignern gebe Widex vor, dass die Brennstoffzelle nicht mehr Platz einnehmen dürfe als eine Batterie und Batterielade zusammen. „Wir wollen nicht zum Taschengerät zurück, bloß weil sich das Energiekonzept verändert“, erklärte Simon Müller. „Das bedeutet, wir müssen klug designen, um dieses Verfahren zu realisieren.“

Der Leiter der Audiologie sprach eine Reihe von verfahrenstechnischen Schwierigkeiten an. Um viel Energie auf kleinstem Raum zu erzeugen und die Leistungsfähigkeit der Methanolbrennstoffzelle zu steigern, müsse man das Verhältnis von Oberfläche und Volumen optimieren. Dies könne erreicht werden durch eine neue Katalysatorschicht mit einer dreidimensionalen Oberfläche, die wie eine Art Schwamm oder Raster wirke. Dafür seien Produktionsstrukturen im Größenbereich von Nanometern, also in mikroskopisch kleiner Größe, nötig. Außerdem müsse die Energieleistung der Brennstoffzelle angehoben werden, um genug Strom für den Betrieb von Hörsystemen zu erzeugen.

Platzgründe stellten die Widex-Entwickler vor ein weiteres Problem, nämlich wie die einzelnen Komponenten der Redoxreaktion in die Brennstoffzelle hinein- beziehungsweise aus ihr herausgeleitet werden können. In einer aktiven Zelle geschehe dies über Ventilatoren und Pumpen sowie eine intelligente elektronische Steuerung. „Das fällt im Hörsystem alles weg, denn ich muss Platz sparen“, sagte Simon Müller. Trotzdem müsse gewährleistet sein, dass die Zelle schnell und einfach befüllbar sei, zuverlässig abgedichtet und auch bei einer Änderung der räumlichen Ausrichtung, etwa wenn der Hörsystemträger sich hinlege, weiterhin Strom erzeuge. Hier arbeite Widex mit dem komplexen Verfahren einer passiven Brennstoffzelle. Die Federspannung in der Zelle müsse genau austariert sein, sodass überschüssiges Kohlendioxid nicht die Membran auf der Anodenseite blockiere und es andererseits nicht zu einem Methanol-Crossover komme, das heißt einer unbeabsichtigten Sammlung von Methanol auf der Kathodenseite, ohne dass davon Strom erzeugt werde. Beide Effekte schmälerten die Wirkungsweise der Brennstoffzelle, erklärte Simon Müller dem Publikum auf dem Future Friday. „Das alles sind Herausforderungen, die zum Großteil, aber eben noch nicht komplett gelöst wurden“, erklärte er abschließend.     Wiebke Scheurlen

 

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