Brennstoffzellen für die gesamte Energieversorgung im Haus

Brennstoffzellen bringen eine faszinierende und hocheffiziente Technologie in den Heizungskeller: Über eine chemische Reaktion produzieren sie aus dem Energieträger Erdgas gleichzeitig Wärme und Strom. Die kompakten Geräte gibt es in verschiedenen Bauarten, die sich in ihrem Elektrolyten voneinander unterscheiden: Diese können fest oder flüssig sein oder auch aus einer Membran bestehen. Zudem werden Brennstoffzellen in Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen unterteilt.

 

Der Elektrolyt ist das Kernstück jeder Brennstoffzelle, denn am Elektrolyten erfolgt die Reaktion des aus dem Erdgas gewonnenen Wasserstoffs. Die Wasserstoff-Ionen werden durch den Elektrolyten geleitet, sie wandern quasi von der Anode zur Kathode, und dabei wird die im Wasserstoff enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Drei der Brennstoffzellen-Bauarten stellen wir Ihnen vor.

Die PEM-Brennstoffzelle

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Die Brennstoffzellen unterscheiden sich vor allem in Material und Beschaffenheit des Elektrolyten, über den der chemische Prozess der sogenannten umgekehrten Elektrolyse abläuft. PEMFC steht im Englischen für Proton Exchange Membrane Fuel Cell, wörtlich übersetzt bedeutet das Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Die Bezeichnung Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist in deutschsprachigen Ländern allerdings gebräuchlicher. Die PEMFC ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle.

 

Das Wort Polymer gibt einen wichtigen Hinweis auf die Besonderheit der PEM-Brennstoffzelle: Kernelement der PEMFC ist eine sehr dünne Kunststoffmembran. Diese Membran trennt die beiden Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff voneinander und lässt nur Protonen, also positiv geladene elektrische Teilchen, passieren. Die Polymermembran besteht aus vielen verschiedenen Makromolekülen und ist auf beiden Seiten mit Platin beschichtet. Das Platin dient in der chemischen Reaktion als Katalysator.

Die Vorteile einer PEMFC

  • Die Polymer-Brennstoffzelle kommt mit vergleichsweise geringen Arbeitstemperaturen aus. Deshalb ist sie relativ preiswert in der Herstellung und auch besonders langlebig. Damit verbunden ist ein sehr niedriger Wartungsbedarf und -aufwand.
  • Die Kunststoffmembran ist fest, als einzige Flüssigkeit im Prozess kommt Wasser zum Einsatz. Das bedeutet auch, dass die PEMFC keine aggressiven Flüssigkeiten enthält, die eventuell auslaufen könnten.
  • Die Polymer-Brennstoffzelle zeichnet sich außerdem durch eine hohe Betriebsdynamik aus. Das heißt: Sie stellt Strom und Wärme flexibel und ohne lange Anlaufphasen zur Verfügung.

SOFC-Brennstoffzelle

Ein ganz heißes Gerät

Im Vergleich zu anderen Typen von Brennstoffzellen ist die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) ein heißes Gerät – aber nur im Inneren. Der in ihr verbaute feste Elektrolyt aus sogenannter Oxidkeramik leitet ab einer Betriebstemperatur von ca. 650 °C die Wasserstoffionen durch sich hindurch. Einige Geräte kommen auf eine Temperatur von 1.000 °C. Somit zählt die SOFC zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Dabei ist der Elektrolyt sehr dünn, nämlich nur zwei Hundertstel Millimeter stark. Durch die "Wand" aus dem keramischen Werkstoff gelangen Sauerstoff-Ionen von der Kathode zur Anode und reagieren dort mit dem aus dem Erdgas gewonnenen Wasserstoff zu Wasser. Dabei entstehen elektrische Energie und Wärme, die den Haushalt sowohl mit Strom versorgen als auch über einen Wärmetauscher die Heizkörper und die Armaturen in Küche und Bad mit warmem Wasser versorgen. Die SOFC-Brennstoffzelle eignet sich am besten für Haushalte mit einem relativ hohen Energiebedarf von über 8.000 Kilowattstunden im Jahr.

Die Vorteile einer SOFC

  • Da in einer SOFC-Brennstoffzelle keine Edelmetalle verbaut sind, ist die Anschaffung in der Regel kostengünstiger.
  • Aufgrund der hohen Betriebstemperatur kann der Energieträger Erdgas zum größten Teil direkt im Gerät reformiert werden. Das heißt: Der Wasserstoff wird in unmittelbarer Entfernung zum Elektrolyt gewonnen und muss nicht über längere Strecken transportiert werden.
  • Die SOFC-Brennstoffzellen haben eine hohe Toleranz gegenüber der Reinheit des eingesetzten Wasserstoffs. Deshalb ist zum Beispiel ein Betrieb mit Bio-Erdgas ohne weiteres möglich.
  • Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei Festoxidkeramik-Brennstoffzellen besonders hoch.

PAFC-Brennstoffzelle

Heiztechnik aus der Raumfahrt

Brennstoffzellen mit einer Flüssigkeit als Elektrolyt gibt es schon recht lange. In den 60er-Jahren wurden zum Beispiel die Apollo-Raumkapseln damit angetrieben, mit denen die US-Astronauten unter anderem zum Mond flogen. Für die Erzeugung von Wärme und Strom in großen Blockheizkraftwerken von beispielsweise Energieversorgern hat sich die Phosphorsäure-Brennstoffzelle etabliert. Die Abkürzung PAFC ergibt sich aus der englischen Übersetzung Phosphoric Acid Fuel Cell. Bei dieser Art der Brennstoffzelle durchwandern die Protonen eine sogenannte Matrix aus dem besonders harten Siliciumcarbid, in die die Phosphorsäure eingepresst worden ist. Als Katalysator dient hier – ähnlich wie bei der SOFC-Brennstoffzelle – Platin oder eine Platinlegierung.

Wie bei den anderen Brennstoffzellen-Typen auch entstehen bei der chemischen Reaktion elektrische Energie und Wärme. Die Wärme wird abgekoppelt und als Heizwärme und für die Bereitung von warmem Wasser genutzt; der Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist.

Die Vorteile einer PAFC

  • Das System ist sehr robust.
  • Eine PAFC-Brennstoffzelle kommt auch mit nicht zu 100 Prozent reinem Wasserstoff zurecht.
  • Als Mitteltemperatur-Brennstoffzelle reagiert eine PAFC-Anlage besonders schnell auf Veränderungen im Wärmebedarf.
  • Für einen erhöhten Wärmebedarf lässt sich das System einfach mit einem Gas-Brennwertkessel kombinieren.

Förderung innovativer Technik

Die innovative Brennstoffzelle spart viel Energie und CO2 ein. Aus diesem Grund wird sie staatlich gefördert.

Anbieter von Brennstoffzellen

Viele namhafte Hersteller haben die innovative Brennstoffzellen-Heizung in ihrem Programm aufgenommen.