Funktion und Aufbau der Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzellenheizung erzeugt Wärme und Strom durch die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Damit das funktioniert, ist ein spezieller Aufbau der Brennstoffzelle nötig. Einen Überblick über diesen und die Funktion der modernen Heiztechnik geben wir im folgenden Beitrag.

Funktion einer Brennstoffzellenheizung im Überblick

Die Brennstoffzellenheizung gilt unter vielen Experten als Heizung der Zukunft. Denn sie erzeugt nicht nur Wärme, sondern auch Strom. Dieser senkt den Verbrauch im eigenen Haus und führt zu hohen finanziellen Einsparungen.

Elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff

Grundlage der Funktion ist die Reaktion von wasserstoffreichen Gasen mit Sauerstoff. Anders als bei Versuchen im Chemieunterricht kommt es dabei jedoch nicht zur Detonation. Dafür sorgt der spezielle Aufbau der Brennstoffzelle.

Aufbau der Brennstoffzelle im Muster

Strom und Wärme durch Aufbau der Brennstoffzelle

Diese besteht neben zwei Elektroden aus einem gasdichten Ionenleiter. Gelangt der Wasserstoff an die erste Elektrode, teilt er sich durch einen Katalysator in Elektronen und Ionen. Die Elektroden fließen über einen elektrischen Leiter zur zweiten

Elektrode und es entsteht elektrische Energie.

Zeitgleich schlüpfen die Ionen durch die nur für sie durchlässige Sperrschicht und verbinden sich auf der anderen Seite mit Sauerstoff und den Elektronen zu Wasser. Die dabei entstehende Wärme lässt sich dann an die Heizungsanlage übertragen. Im Beitrag „Funktionsweise der Brennstoffzelle“ erklären wir den Prozess im Detail.

Aufbau der Brennstoffzelle

Einzelne Zellen bestehen aus zwei Elektroden, jeweils einem Katalysator und einer ionenleitenden Sperrschicht. In Abhängigkeit der Brennstoffzellenart kann der Aufbau der Brennstoffzelle jedoch variieren. Generell lassen sich dabei Hoch- und Niedertemperaturbrennstoffzellen unterscheiden.

Aufbau der Brennstoffzelle für hohe Temperaturen

Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten bei Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius. Während es zwar etwas dauert, bis diese erreicht sind, laufen die Zellen auch mit unreinem Wasserstoff zuverlässig. So kann Erdgas zum Beispiel über den Katalysator der Elektrode reformiert werden. Ein teurer und energieintensiver externer Reformer ist im Aufbau der Brennstoffzelle dabei nicht nötig.

Die Sperrschicht zwischen den beiden Elektroden kann unter anderem aus einem festen Elektrolyt (Festoxidbrennstoffzelle oder SOFC) oder aus geschmolzenen Karbonaten (Schmelzkarbonatbrennstoffzelle MCFC) bestehen.

Aufbau der Brennstoffzelle für niedrige Temperaturen

Niedertemperaturbrennstoffzellen arbeiten hingegen bei Temperaturen von weniger als 100 Grad Celsius. Da diese im Betrieb schnell zu erreichen sind, eignen sie sich auch für mobile Anwendungen wie dem Wasserstoffauto. Die Materialien reagieren hier jedoch sensibel auf Kohlenmonoxid, wodurch sie nur mit möglichst reinem Wasserstoff laufen. Das setzt wiederum einen Reformer im Aufbau der Brennstoffzelle voraus.

Abhängig von der Art der Sperrschicht zwischen positiver und negativer Elektrode unterscheidet man hier:

  • alkalische Zellen (AFC) mit Elektrolyt aus wässriger Kalilauge
  • Polymer-Elektrolyt-Zellen (PEFC oder PEM) mit Membran als Trennschicht
  • Direkt-Methanol-Zellen (DMFC) mit Membran als Trennschicht
  • Phosphor-Säure-Zellen (PAFC) mit Elektrolyt aus nahezu wasserfreier Phosphorsäure

Zellstapel liefern ausreichend hohe Spannung

Da einzelne Zellen nur eine Spannung von 0,5 bis 1,0 Volt erreichen, werden sie in der Praxis zu Stapeln zusammengeschaltet. Die Spannungswerte addieren sich und es kann genügend Energie bereitgestellt werden. Die Elektroden befinden sich dabei auf sogenannten Bipolarplatten, die zum Beispiel aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren bestehen.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Der Aufbau der Brennstoffzelle ist entscheidend für die Funktion und den Wirkungsgrad der modernen Technik. Neben zwei Elektroden mit je einem Katalysator bestehen einzelne Zellen auch aus einem Ionenleiter. Dieser sorgt für die kontrollierte Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff, durch die elektrische Energie gewonnen und eine Detonation ausgeschlossen werden kann.

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