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.

Funktionsweise der Brennstoffzellen-Heizung

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.

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 Gas 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.

Brennstoffzellen-Typ PEM
Brennstoffzellen-Typ SOFC
Brennstoffzellen-Typ PAFC
Installation von Brennstoffzellen

Expertenthema

PEM-Brennstoffzelle

Höchste Leistung bei niedrigen Temperaturen

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 PEMFC ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle

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

Temperaturen bis zu 1.000 °C

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 Gas 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 Die SOFC zählt zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen

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 Gas 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 Biogas 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.

Für die Erzeugung von Wärme und Strom in großen Blockheizkraftwerken von beispielsweise Energieversorgern hat sich die PAFC etabliert

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.

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