Zwei Pilotprojekte für Brennstoffzellenheizgeräte

Prof. Dr. Heinz Schmidt-Walter, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Brennstoffzellenheizgeräte sind sehr kleine Blockheizkraftwerke, die gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen. Die Schweizer Firma Sulzer-Hexis hat ein Heizgerät entwickelt, dass mit einer Oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC) Strom (1 kW) und Wärme (2,5 kW) für ein Einfamilienhaus erzeugt. Die HEAG Südhessische Energie AG (HSE) hat in einem Pilotprojekt für einen Drei-Jahres Test zwei Heizgeräte, eines in Heppenheim und eines in Darmstadt installiert. Das Projekt wir vom Land Hessen gefördert. Die wissenschaftliche Begleitung hat die Hochschule Darmstadt, Fachbereich EuI übernommen. Der FB EuI protokolliert die Messdaten und erstellt jährlich einen wissenschaftlichen Bericht zum Betriebsverlauf.

Die Projekte starteten im Mai 2004 (Heppenheim) und im Februar 2005 (Darmstadt). Sie enden im März 2008.


Allgemeines zur Brennstoffzelle
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Leistung. Man nennt diesen Prozess "kalte Verbrennung". Der Wasserstoff wird zu Wasser oxidiert; dabei entsteht Energie (ebenso viel, wie bei einer Knallgasexplosion). Damit es nicht zu einem direkten (explosiven) Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff kommt, sind Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle mittels eines Elektrolyten räumlich voneinander getrennt. In der sogenannten SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) ist der Elektrolyt so beschaffen, dass Sauerstoff-Ionen ihn passieren können. Elektronen jedoch nicht. Der Sauerstoff wird zunächst auf der Luftseite mittels eines Katalysators in Elektronen und Ionen getrennt. Die Sauerstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten zum Wasserstoff, die Elektronen gelangen über einen elektrischen (galvanischen) Weg zum Wasserstoff. Auf dem elektrischen Weg entsteht ein Spannungspotential, welches, multipliziert mit dem Elektronenstrom, die elektrische Leistung erzeugt. Pro Brennstoffzelle entsteht ca. ein Volt (siehe Abb. 1).

Man schaltet mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu einem so genannten "Stapel" englisch: "Stack", um höhere Spannungen zu erzeugen. Es sei hier vermerkt, dass der Reaktionsprozess in verschiedenen Brennstoffzellen unterschiedlich sein kann. In der PEMFC beispielsweise leitet der Elektrolyt Wasserstoff-Ionen, sodass das Produktwasser auf der Sauerstoffseite entsteht.

Reaktionen   
Kathode    Reduktion des Luftsauerstoffes
½ O2 + 2e– > 2O–
Anode    Oxidation des Wasserstoffes
H2 + 2O– > H2O + 2e–
CO + 2O– > CO2 + 2e–
CH4 + 4O2– > 2H2O + CO2 + 8e–