Funktionsprinzip Brennstoffzelle

"Kalte" Verbrennung liefert zuverlässig Wärme und Strom

Ganz ohne Ver­bren­nung er­zeu­gen Brenn­stoff­zel­len aus um­welt­scho­nen­dem Was­ser­stoff Wär­me und Strom und er­zie­len da­bei ho­he Wir­kungs­gra­de. Die Ent­wick­lung der Brenn­stoff­zel­len-Tech­no­lo­gie folgt da­mit der Idee von ei­ner mög­lichst un­ab­hän­gi­gen Ver­sor­gung.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Die Brenn­stoff­zel­le ist ei­ne gal­va­ni­sche Zel­le: Der Brenn­stoff, z. B. Was­ser­stoff, re­a­giert mit ei­nem Oxi­da­ti­ons­mit­tel wie Sau­er­stoff. Die da­bei ent­ste­hen­de Re­ak­ti­ons­ener­gie wird in elek­tri­sche Ener­gie um­ge­wan­delt. Ne­ben Strom wird bei die­ser Re­ak­ti­on Wär­me frei­ge­setzt. So­mit ist die Brenn­stoff­zel­le ein Wand­ler und kein Ener­gie­spei­cher.

Brenn­stoff­zel­len sind übri­gens ei­ne deut­sche Er­fin­dung. Ihr Prin­zip wur­de be­reits 1838 von dem deut­schen Che­mi­ker Chris­tian Fried­rich Schön­bein in Ba­sel in der Schweiz ent­deckt: Er um­spül­te zwei in Salz­säu­re ein­ge­leg­te Pla­tin­dräh­te mit Was­ser­stoff bzw. Sau­er­stoff und be­merk­te zwi­schen den Dräh­ten ei­ne elek­tri­sche Span­nung. Da­bei ent­stand auch Wär­me. Die­ses Funk­ti­ons­prin­zip nut­zen Brenn­stoff­zel­len.

Funktionsweise der Brennstoffzelle

Brenn­stoff­zel­len wan­deln Gas in Was­ser­stoff um und nut­zen ihn zur gleich­zei­ti­gen Ge­win­nung von ther­mi­scher und elek­tri­scher Ener­gie. Erd­gas ist ei­ne was­ser­stoff­rei­che Ver­bin­dung. Der ent­hal­te­ne Was­ser­stoff wird durch ei­nen Re­for­mer ge­won­nen und re­a­giert mit zu­ge­führ­tem Sau­er­stoff aus der Luft in ei­ner um­ge­kehr­ten Elek­tro­ly­se zu Was­ser. Es kommt zu ei­ner elek­tro­che­mi­schen Re­ak­ti­on, in der Wär­me und Strom ent­ste­hen. Die­ser Vor­gang wird auch als "kal­te Ver­bren­nung" be­zeich­net, da es kei­ne klas­si­sche Ver­bren­nung durch Mo­to­ren oder Tur­bi­nen gibt wie man sie in Kraft­wer­ken ver­wen­det.

Der ent­stan­de­ne Gleich­strom wird in ei­nen In­ver­ter oder Wech­sel­rich­ter ge­lei­tet, in Wech­sel­strom um­ge­wan­delt und so für die Ver­brau­cher nutz­bar ge­macht. Die Wär­me wird über ei­nen Wär­me­tau­scher an ei­nen Puf­fer­spei­cher ab­ge­ge­ben und zur Er­wär­mung des Trink­was­sers oder des Heiz­krei­ses ge­nutzt.

Aufbau einer gasundurchlässigen Elektrolytmembran in Brennstoffzellen

Aufbau einer Brennstoffzelle und chemische Reaktion

Eine Brenn­stoff­zel­le be­steht aus zwei Elek­tro­den – der Ano­de (Mi­nus­pol) und der Ka­tho­de (Plus­pol). Sie sind ge­trennt durch den Elek­tro­lyt mit ei­ner fes­ten, ionen­durch­läs­si­gen Mem­bran. Die­se gas­un­durch­läs­si­ge Elek­tro­lyt­mem­bran sorgt für ei­ne ge­trenn­te Lei­tung der Ionen (po­si­ti­ve La­dung) und Elek­tro­nen (ne­ga­ti­ve La­dung). Je­de der Elek­tro­den ist mit ei­nem Ka­ta­ly­sa­tor be­schich­tet, z. B. Ni­ckel oder Pla­tin. Was­ser­stoff (Brenn­stoff) wird der Ano­de zu­ge­führt, oxi­diert an die­ser und wird in Elek­tro­nen und Pro­to­nen ge­spal­ten. Zwi­schen Ka­tho­de und Ano­de kann sich nun ei­ne Span­nung auf­bau­en.

Die Pro­to­nen brei­ten sich durch den Elek­tro­lyt zur Ka­tho­de aus, wo­durch hier ein Elek­tro­nen­man­gel ent­steht. Die frei­en Elek­tro­nen, die nicht durch die Mem­bran ge­lan­gen, flie­ßen als brauch­ba­rer elek­tri­scher Strom durch ei­nen äu­ße­ren Kreis­lauf mit ei­nem elek­tri­schen Ver­brau­cher, wie z. B. ei­ner Glüh­lam­pe, zur Ka­tho­de und lie­fern so An­triebs­ener­gie. An der Ka­tho­de ver­bin­det sich der Sau­er­stoff aus der Luft mit Elek­tro­nen aus dem äu­ße­ren Kreis­lauf. Schließ­lich re­kom­bi­nie­ren sich die Elek­tro­nen mit den Pro­to­nen zu Was­ser­stoff und er­ge­ben mit dem Sau­er­stoff Was­ser. Die Re­ak­ti­ons­wär­me kann zu­sätz­lich zum Hei­zen ge­nutzt wer­den.

Brennstoffzellen-Typen
Expertenthema

Installation, Betrieb und Wartung einer Brennstoffzelle

Brenn­stoff­zel­len sind ein­fach zu in­stal­lie­ren und nicht kom­pli­zier­ter ein­zu­bau­en als ei­ne Gas-Brenn­wert­hei­zung. Die Kom­po­nen­ten – Hy­drau­lik, Puf­fer- und Trink­was­ser­spei­cher – sind größ­ten­teils vor­mon­tiert und er­mög­li­chen ei­ne zeit­spa­ren­de Mon­ta­ge. In be­ste­hen­den Ge­bäu­den kön­nen in der Re­gel die be­ste­hen­den An­schlüs­se ge­nutzt wer­den. Es emp­fiehlt sich, die In­stal­la­ti­on mit ei­nem hy­drau­li­schen Ab­gleich der Wär­me­ver­tei­lung im Ge­bäu­de zu ver­bin­den. Der elek­tri­sche An­schluss ist eben­falls kein He­xen­werk und er­folgt wie bei ei­ner her­kömm­li­chen Gas-Hei­zung über ei­ne drei­adri­ge Netz­an­schluss­lei­tung.

Leicht zugängliche Komponenten

Die War­tung er­folgt je nach Ge­rät in un­ter­schied­li­chen In­ter­val­len, üblich sind zwei oder drei Jah­re. Ei­ne War­tung der Brenn­stoff­zel­le ist al­le fünf Jah­re ver­pflich­tend. Die War­tung ist auf­grund der leicht zu­gäng­li­chen Kom­po­nen­ten schnell und ein­fach durch­zu­füh­ren. Brenn­stoff­zel­len sind übri­gens un­ge­fähr­lich: Zwar kommt in den Ge­rä­ten Was­ser­stoff zum Ein­satz, der theo­re­tisch ex­plo­siv sein kann, al­ler­dings nur in ge­rin­gen Men­gen und auch nicht über län­ge­re Zeit­räu­me. Vie­le Her­stel­ler bie­ten auch ei­ne Fern­über­wa­chung so­wie ei­ne Fern­war­tung per App an.

Zu den Herstellern

Neue Gase

Die Brennstoffzellen-Heizung kann mit erneuerbaren Energien, zum Beispiel neuen Gasen wie Biogas kombiniert werden.

Neue Gase

FAQ Brennstoffzelle

Sie ha­ben Fra­gen zur Brenn­stoff­zel­len-Hei­zung? Wir ge­ben Ih­nen Ant­wor­ten, Hil­fe­stel­lun­gen und wei­ter­füh­ren­de In­for­ma­ti­o­nen.

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