Funktionsprinzip der Brennstoffzelle verständlich erklärt

Elementar beim Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist, dass diese ohne klassisches Verbrennen auskommt. Stattdessen macht sie sich einen chemischen Vorgang zu Nutze, welcher als "kalte Verbrennung" bezeichnet wird. Das Prinzip dafür stammt ungefähr aus der Mitte des 19. Jahrhunderts. Das Ergebnis des Vorgangs, und der letztliche Nutzen der Brennstoffzelle, ist die Erzeugung von Strom und Wärme. Elektrische Energie wird hierbei als Nebenprodukt erzeugt.

Im Detail: das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Für die Nutzung der Brennstoffzelle ist chemische Energie notwendig, welche normalerweise in Form von Erdgas bereitgestellt wird. Diese Energie wird schließlich zu Wärme und elektrischer Energie umgewandelt. Das funktioniert deshalb, weil ein Trägerstoff wie Erdgas Wasserstoff enthält, welcher wiederum mit Sauerstoff reagiert, der aus der Luft zugeführt wird.

Knallgasreaktion wird verhindert, indem beide Stoffe räumlich voneinander getrennt werden

Das Ergebnis davon ist eine Knallgasreaktion, welche aber kontrolliert stattfindet und nicht etwa mit einer Explosion zu verwechseln ist. Für die notwendige Kontrolle sorgt die Brennstoffzelle selber, welche die Knallgasreaktion verlangsamt, indem beide Stoffe räumlich voneinander getrennt werden. Im Detail lässt sich der Vorgang folgendermaßen beschreiben.

Zahnräder als Symbol für das Funktionsprinzip Brennstoffzelle
© panthermedia.net / thomas_e

Die Brennstoffzelle selber baut sich aus zwei Elektroden auf. Eine davon wird als Kathode bezeichnet und steht stellvertretend für den Pluspol. Die jeweils andere wird als Anode bezeichnet und liefert den notwendigen Minuspol. Getrennt werden sie durch den Elektrolyt, dafür sorgt eine ionendurchlässige, aber dennoch feste Membran. Beide Elektroden werden mit Hilfe eines Katalysators beschichtet. In der Praxis könnte das unter anderem Platin oder Nickel sein. Sobald der Anode der Wasserstoff zugeführt wird, findet eine Teilung hin zu Elektronen und Protonen statt. Damit ist der erste Schritt vom Funktionsprinzip der Brennstoffzelle beendet.

Reaktionswärme kann zum Heizen genutzt werden

Die nun zustande gekommenen freien Elektronen werden wiederverwendet - und zwar als elektrische Energie, indem sie in dem äußeren Kreislauf eingesetzt werden. Die Protonen finden ihren Weg durch den Elektrolyt hin zur Kathode, wo dann der nächste Schritt vom Funktionsprinzip der Brennstoffzelle veranlasst wird. Der Sauerstoff bindet sich an der Kathode, dieser enthält zu diesem Zeitpunkt die in der Luft befindlichen Elektronen sowie Protonen.

Daraus resultieren schließlich das ebenfalls erzeugte Brauchwasser und Wärme, welche ja ebenfalls durch die Brennstoffzellenheizung generiert werden. Zu diesem Zeitpunkt kann sich zwischen der Anode und der Kathode schließlich eine Spannung aufbauen. Werden die Elektroden miteinander verbunden, können die Elektronen zwischen der Kathode und der Anode hin- und her fließen. Hieraus resultiert wiederum Reaktionswärme, welche unter anderem zum Heizen genutzt wird.

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wird auch außerhalb von Haushalten genutzt

Das doch relativ komplexe Funktionsprinzip der Brennstoffzelle, zumindest für Nicht-Physiker und Nicht-Chemiker, kommt keinesfalls nur in privaten Haushalten zum Einsatz. Vielmehr ist dies eine logische Weiterentwicklung, nachdem besonders leistungsfähige Systeme zuvor in anderen Bereichen getestet wurden - beispielsweise in der Raumfahrt oder beim Militär. Hier bot sich die Nutzung vom Funktionsprinzip der Brennstoffzelle auch deshalb an, weil die daraus resultierenden Kosten eher eine untergeordnete Rolle spielten.

Anschaffung einer Brennstoffzellenheizung weiterhin kostspielig

Mittlerweile ist das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle aber auch mit finanzierbaren Lösungen kombinierbar. Die Anschaffung einer Brennstoffzellenheizung ist aber immer noch recht kostspielig. Verschiedene angebotene Programme zur Förderung für eine Brennstoffzellenheizung können die Anschaffungskosten jedoch erheblich reduzieren.

Weiterhin bleibt das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle zwar immer bestehen, dennoch existieren zwischen den einzelnen Modellen, Systemen und Anlagen, die dieses Prinzip nutzen, qualitative Unterschiede. So können sich durchaus der Wirkungsgrad und damit auch die Effizienz unterscheiden. Das ist auch bei Privatverbrauchern vor der Anschaffung zu berücksichtigen, um die Anlage mit dem effektiven Funktionsprinzip der Brennstoffzelle tatsächlich bestmöglich nutzen zu können.

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