Typische Brennstoffzellenarten im Überblick

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie aus wasserstoffreichen Verbindungen in Strom und Wärme. Sie nutzt die eingesetzten Brennstoffe besonders gut aus und lässt sich für verschiedene Zwecke verwenden. Je nach Aufbau unterscheidet man heute zwischen verschiedenen Brennstoffzellenarten. Was diese auszeichnet, erklären wir im folgenden Überblick.

Der Aufbau einer Zelle

Eine Brennstoffzelle besteht einfach beschrieben aus zwei Elektroden und einer dazwischen angeordneten Trennschicht. Diese kann je nach Brennstoffzellenart als semipermeable Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) ausgeführt sein. Trifft Wasserstoff nun auf die erste Elektrode, bewirkt ein Katalysator die Teilung in Elektronen und Ionen. Die Elektronen wandern daraufhin über einen elektrischen Leiter zur zweiten Elektrode und es entsteht elektrische Energie.

Gleichzeitig wandern die Ionen über die Membran oder durch die Elektrolytschicht zur zweiten Elektrode. Hier verbinden sie sich mit Elektronen und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die bei der Reaktion entstehende Wärme lässt sich dann zum Beispiel für die Heizung oder die Warmwasserbereitung nutzen. Wie eine Brennstoffzellenheizung im Detail funktioniert, erklären wir im Beitrag Funktionsweise der Brennstoffzelle.

PEM-Zelle im Labor als Beispiel für Brennstoffzellenarten

Brennstoffzellenarten nach Betriebstemperatur

Geht es um die Unterscheidung verschiedener Brennstoffzellenarten, lassen sich diese in Hoch- und Niedertemperaturzellen einteilen.

Hochtemperatur-Brennstoffzellenarten

Hochtemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius. Sie benötigen etwas Zeit, bis sie optimale Betriebstemperaturen erreichen und eignen sich daher vor allem in stationären Anlagen. Hier können sie nicht nur den Strom-, sondern auch einen Teil des Wärmebedarfs decken. Ein Vorteil der Hochtemperaturzellen ist, dass sie nicht auf reinen Wasserstoff angewiesen sind. Sie lassen sich mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen betreiben und kommen ohne einen teuren und energieintensiven Reformer aus. Darüber hinaus lässt sich die Abwärme des Prozesses gut für Heizzwecke nutzen.

Zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellenarten zählen:

  • Festoxid-Zellen (SOFC)
  • Schmelzkarbonat-Zellen (MCFC)

Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Festoxidzellen (Solid Oxide Fuel Cell) arbeiten bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad. Die beiden Elektroden sind hier durch einen festen Elektrolyten voneinander getrennt. Dieser besteht aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid und benötigt die hohen Temperaturen für eine ausreichende Leitfähigkeit. Im Betrieb wandern Sauerstoff-Ionen durch den Elektrolyten und verbinden sich mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus dem Brenngas zu Kohlendioxid und dampfförmigem Wasser.

Ein Vorteil der hohen Temperaturen dieser Brennstoffzellenart ist, dass die Reformierung in die Zelle integriert werden kann. Das senkt die Kosten und ermöglicht den Einsatz von Erdgas oder Biogas. Nachteilig ist dagegen die hohe Materialbelastung, die sich in Zukunft durch Prozesse mit geringeren Temperaturen reduzieren lassen. Eingesetzt werden die Zellen zum Beispiel als stromerzeugende Heizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern oder im Industriebereich. Hier lässt sich die Abwärme auch für nachgeschaltete Dampfprozesse nutzen.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Schmelzkarbonat-Zellen (Molten Carbonate Fuel Cell) arbeiten bei Temperaturen von rund 650 Grad Celsius. Der Elektrolyt besteht dabei aus geschmolzenen Karbonaten, die bis zu einer Temperatur von rund 480 Grad Celsius in fester Form vorliegen. Genau wie Festoxid-Zellen erfolgt die Reformierung des Brenngases auch hier durch einen auf die Elektrode aufgebrachten Katalysator. Das heißt, dass sich die Zellen direkt mit Brenngasen wie Erd- oder Biogas verwenden lassen.

Während die Temperaturen dieser Brennstoffzellenarten niedrige Herstellungskosten ermöglichen, beeinflusst Instabilität der Kathode die Lebenszeit. Schmelzkarbonat-Zellen benötigen eine besonders lange Aufheizzeit und lassen sich daher zum Beispiel zur Grundlastversorgung bei Energieversorgern einsetzen.

Niedertemperatur-Brennstoffzellenarten

Niedertemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius. Sie starten schnell und eignen sich vor allem in mobilen Einsatzgebieten wie der Fahrzeugtechnik. Hier lässt sich die elektrische Energie über einen Motor in mechanische Energie umwandeln. Die Brennstoffzellenarten reagieren sensibel auf Kohlenmonoxid und sind daher mit reinem Wasserstoff zu betreiben. Das erfordert einen eigenen Reformer, der den für die Reaktion benötigen Wasserstoff zum Beispiel aus Erdgas gewinnt.

Zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellenarten zählen:

  • Alkalische Brennstoffzellen (AFC)
  • Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC oder PEM)
  • Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)
  • Phosphorsäurebrennstoffzellen (PAFC)

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Alkalische Zellen (Alkaline Fuel Cell) arbeiten bei Temperaturen von rund 90 Grad Celsius. Ihr Elektrolyt besteht aus wässriger Kalilauge, die im Betrieb durch die Zellen gepumpt wird. Da diese jedoch sehr sensibel auf Kohlenstoffdioxid reagiert, laufen die Brennstoffzellenarten nur mit reinem Wasserstoff. Das heißt, dass CO2 durch eine energieintensive Reformierung aus dem Brenngas entfernt werden muss.

Die Zellen arbeiten mit günstigen Katalysatoren. Durch die hohen Anforderungen an das Brenngas werden sie aber überwiegend in hoch spezialisierten Nischen wie der Raumfahrt angewandt. Hier sind sie allerdings zuverlässig.

Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC oder PEM)

Polymer-Elektrolyt-Zellen arbeiten meist bei Temperaturen von 100 Grad Celsius. Ihr Elektrolyt besteht aus einer dünnen Polymermembran. Durch diese wandern im Betrieb Wasserstoff-Protonen, die sich auf der anderen Seite mit den Elektronen und dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbinden. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, benötigen diese Brennstoffzellenarten Katalysatoren, die in Verbindung mit der Membran nur aus Edelmetallen wie Platin bestehen können. Da die verwendeten Materialien jedoch kritisch auf Kohlenmonoxid reagieren, ist ein Betrieb ausschließlich mit reinem Brenngas möglich. Das setzt wiederum eine energieintensive Reformierung von Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen voraus.

Die Polymer-Elektrolyt-Zelle hat einen vergleichsweise einfachen Aufbau. Darüber hinaus reagiert sie gut auf Kaltstarts und schwankende Lastanforderungen. Sie eignet sich daher zum Beispiel als Brennstoffzellenheizung, bei der sie neben dem Strom auch Heizwärme abgibt. Möglich sind hier Vorlauftemperaturen von rund 75 Grad Celsius.

In Zukunft sollen diese Brennstoffzellenarten auch bei höheren Temperaturen arbeiten. Das ermöglicht den Betrieb mit weniger reinem Wasserstoff. Durch das höhere Temperaturniveau der entstehenden Wärme lassen sich außerdem kleinere Wärmeübertrager verwenden, wodurch Kosten und Größe der Geräte sinken.

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Direkt-Methanol-Zellen arbeiten bei Temperaturen von rund 100 Grad Celsius. Sie gelten als Weiterentwicklung der Polymer-Elektrolyt-Zellen, weshalb auch ihr Elektrolyt aus einer Polymermembran besteht. Besonderes Kennzeichen dieser Brennstoffzellenarten ist, dass sie mit flüssigem oder dampfförmigem Methanol läuft. Das macht eine vorgeschaltete Reformierung überflüssig und ermöglicht einen einfacheren Aufbau.

Der Zellentyp eignet sich durch bessere Eigenschaften und niedrigere Kosten zum Beispiel für den Einsatz in der Fahrzeugtechnik. Hier könnte er zum Beispiel Batterien von Elektroautos ersetzen.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Phosphor-Säure-Zellen arbeiten bei Temperaturen von rund 250 Grad Celsius. Sie gehören eigentlich zur Kategorie der Mitteltemperatur-Brennstoffzellenarten und haben einen Elektrolyten aus nahezu wasserfreier Phosphorsäure. Durch die Säure als Elektrolyt und die höhere Temperatur funktionieren die Zellen mitunter auch mit unreinem Wasserstoff.

Eingesetzt werden diese Brennstoffzellenarten zum Beispiel als Ersatz für das konventionelle Blockheizkraftwerk. Durch eine Aufheizzeit von mehreren Stunden eignen sie sich vor allem für den Dauerbetrieb zur Grundlastversorgung.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Die Brennstoffzellentechnik wird von vielen Experten als besonders zukunftsträchtig gehandelt. Aktuell gibt es verschiedene Brennstoffzellenarten, die sich in ihren Einsatzbereichen oft stark unterscheiden. Für die stromerzeugende Heizung eignen sich zum Beispiel Festoxid- sowie Polymer-Elektrolyt-Zellen.

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