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.

Funktionweise der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen wandeln Erdgas 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 den 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.

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

Förderung innovativer Technik

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

Förderung

FAQ Brennstoffzelle

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Wissenswertes