Brennstoffzelle

Quellen: Vaillant, Staxera

Inhalt

Definition
Zahlen, Daten, Fakten
Technik
Marktstart

Definition

Brennstoffzellen-Heizgeräte liefern Wärme und Strom in einem Gerät.

Die Anlagen arbeiten ebenso wie Blockheizkraftwerke (BHKW) nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung.

Im Gegensatz zu BHKWs wird die eingesetzte Primärenergie nicht verbrannt, sondern elektrochemisch in Energie umgewandelt.

Bei den Geräten kommen entweder PEM- (Proton Exchange Membrane) oder SO-Brennstoffzellen(Solid Oxid).

Brennstoffzellen-Heizgeräte sind noch Zukunftsmusik, jedoch bereits im Feldtest und kurz vor dem Markteintritt.

Zahlen, Daten, Fakten

Stromkennzahl

Im Vergleich zu herkömmlichen KWK-Systemen erzeugt das  Brennstoffzellen-Heizgerät bei gleichem Energieeinsatz deutlich mehr Strom.

Mit einer Stromkennzahl von 0,50 (Verhältnis Strom- zu Wärmeleistung), ist das Brennstoffzellen-Mikro-KWK besonders gut.

Zum Vergleich: 

Geräuschentwicklung

Brennstoffzellen-Heizgeräte sind flüsterleise und bestehen nur aus wenigen beweglichen Teilen. Eine Brennstoffzelle ein chemischer Energiewandler. Der Brennstoff wird chemisch umgewandelt in Reaktionsenergie in Form von Strom und Hitze. 

Wartungsintervalle

Systembedingt entfallen Zündkerzen- und Ölwechsel. Brennstoffzellen gelten als die KWK-Technologie mit dem höchsten CO2- und Stickoxid-Vermeidungspotenzial.

Anlaufzeit

Damit der chemische Prozess der Zelle funktioniert, muss diese erst auf Temperatur kommen Während die ersten Prototypen-Generationen noch Anlaufphasen von ca. neun Stunden hatten, benötigen aktuelle Prototypen nur noch zwei bis drei Stunden für den Kaltstart. 

Brennstoffzellen-Lebensdauer

Laufzeiten von mindestens 40.000 bis 80.000 Stunden werden erwartet.

Wirkungsgrad elektrisch

30 - 34 %

Wirkungsgrad gesamt

80 - 85 % 

Technik

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Brennstoffzellen vom Typ "Solid Oxide Fuel Cell" (SOFC) sind Hochtemperaturzellen.

Eine dünne, gasdichte  Keramikmembran, auf der zwei dünne poröse Elektroden aufgetragen sind bildet den Kern einer Zelle.

Die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle erfolgt in den  Elektroden und Ionen wandern durch die Membran. Beide Elektroden  bestehen aus speziellen Werkstoffen, um auf großer Fläche die chemische  Reaktion zu gewährleisten.

Die Brennstoffzelle arbeitet bei  einer Temperatur von rund 850°C – diese hohe Temperatur ist erforderlich, um  die Ionenleitfähigkeit der Keramikmembran zu nutzen. Durch die hohen Temperaturen kann bei der SOFC-Technologie Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden.

Für die Hausenergie-Versorgung also ideal.

Mehr als 12.000 Stunden Dauerbetrieb wurden bei Vaillant bereits erreicht. Man ist überzeugt, dass auf Basis der SOFC-Technologie auch Starten und Stoppen des Systems ohne nennenswerte Einbußen bei der elektrischen Leistung möglich ist.

In Feldtests wurde eine Degradation der Stack-Leistung von weniger als 4 % nach 12.0000 Stunden festgestellt.

Polymer Elektrolyt Membran Fuel Cels (PEMFC)

Im Niedertemperaturbereich von 70°C arbeitet der Brennstoffzellenstack eine sogenannte PEM-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran).


Diese ist für einen Dauerbetrieb von über 20.000 Stunden ausgelegt.

Erdgas enthält mehr als 90 % Methan. Dessen Moleküle bestehen jeweils  aus 1 Kohlenstoff- und 4 Wasserstoff-Atomen. Genau diesen Wasserstoffgehalt nutzt die  Brennstoffzelle. Ein Erdgas-Reformer zerlegt Methan in seine Bestandteile und generiert ein wasserstoffreiches Prozessgas bzw. Brenngas.

Zur Brennstoffzelle gehören Anode und Kathode – und dazwischen ein Elektrolyt, als Membran.

Zunächst wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff  zugeführt. Die Anode (+) wirkt als Katalysator und spaltet den  Wasserstoff in Ionen (Protonen) und Elektronen. Die Protonen treten als  kleinste Teilchen ihre Wanderung durch den wie ein Sieb wirkenden  Elektrolyten hin zur Kathode (-) an. Zur selben Zeit fließen die  Elektronen an der Anode über einen externen Stromkreis – das Stromnetz –  zur Kathode: Elektrizität entsteht.

Der Gleichstrom wird dann zu Wechselstrom umgewandelt. 
Reaktionswärme wird für die Warmwasseraufbereitung und die Heizung genutzt. 

Marktstart

Erste Modelle werden eingebaut, für 2016 ist der Markteintritt angekündigt.