Funktionsweise der Brennstoffzelle

Auf den ersten Blick scheint die Funktionsweise einer Brennstoffzelle komplizierter, als sie letztlich ist. Grundsätzlich arbeitet die stromerzeugende Heizung nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Das heißt, eine Brennstoffzelle stellt neben Wärme wie andere Heizsysteme auch Strom zur Verfügung. Dafür nutzt die innovative Technologie eine elektrochemische Reaktion - die sogenannte kalte Verbrennung. Nötig sind dafür nur Sauerstoff und aus Erdgas gewonnener Wasserstoff. Doch wie entsteht aus diesen beiden Stoffen Wärme und Strom für ein ganzes Haus?

Anders als im Chemieunterricht kommt es durch das besondere Funktionsprinzip der Brennstoffzelle nicht zur Knallgasreaktion. Dafür verantwortlich ist der spezielle Aufbau einer Brennstoffzelle. Sie besteht nämlich grundlegend aus zwei Elektroden und einer dazwischen liegenden Trennschicht. Letztere ist entweder eine halbdurchlässige Membran oder ein Elektrolyt (Ionenleiter). Dabei werden die beiden Elektroden als Anode und Kathode bezeichnet.

Ein Katalysator trennt die Wasserstoffmoleküle auf der Anodenseite in positive Wasserstoffionen und negative Elektronen. Während die Elektronen über einen Leiter zur Kathode fließen und dabei elektrische Spannung, also Strom, entsteht, diffundieren die Wasserstoffionen in Richtung Kathode.

Die Wasserstoffionen vereinen sich an der Kathode mit den Sauerstoffmolekülen. Diese Vereinigung wird schließlich als "kalte Verbrennung" bezeichnet. Dabei entsteht Wasser und Wärme wird frei. Letztere steht der Heizungsanlage für die Warmwasserbereitung und Heizwärme zur Verfügung. 

Die als Gleichstrom produzierte elektrische Energie (aus der Wanderung der Elektronen von der An- zur Kathode) wird schließlich in Wechselstrom umgewandelt und kann so im Haushalt genutzt werden.

Wie beschrieben besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden und einer Trennschicht. Doch um eine ausreichende Menge an Energie zu erzeugen, werden die einzelnen Zellen zu Stapeln, sogenannten Stacks, in Reihe geschaltet. Dadurch addieren sich die Spannungswerte und es kann genügend Energie bereitgestellt werden. Die Elektroden befinden sich dabei auf sogenannten Bipolarplatten. 

Zu einer Brennstoffzellenheizung gehören jedoch mehr als nur die Zellen selbst. Bevor Hausbesitzer eine solche Heizung planen, ist es notwendig, dass eine zentrale Heizungsanlage existiert beziehungsweise bei einem Neubau integriert wird. Denn die Wärme sowie der Strom müssen abgenommen oder wie bei der elektrischen Energie in das öffentliche Netz eingespeist werden können. Dazu sind Leitungen und für die Wärme auch Heizflächen notwendig. In einem Neubau könnten das auch Flächenheizungen wie eine Fußbodenheizung sein.

Daneben benötigt eine Brennstoffzellenheizung einen Gasanschluss, bestenfalls über das öffentliche Netz. Dies ist ebenso erforderlich für einen Gas-Brennwertkessel, der in die Anlage eingebunden werden sollte, um Spitzenlasten der Heizung abzudecken. Hier kann auch eine bereits vorhandene Heizung als Spitzenlastkessel dienen.

Damit die Funktion der Brennstoffzelle in jedem Falle wirtschaftlich abläuft, ist an einen Wärmespeicher zu denken. Dieser bevorratet die erzeugte Heizwärme bis zum Bedarf im Haus und ermöglicht somit eine lange Laufzeit der Heizung. Die Anlage gewinnt gleichzeitig viel elektrische Energie und erwirtschaftet somit auch höhere Einsparungen.

Je nach Art der Brennstoffzelle lassen sich auch Unterschiede im Aufbau und in der Funktion feststellen. Grundsätzlich unterscheiden Experten:

• Hochtemperatur- und
• Niedertemperatur-Brennstoffzellen.

Dabei ist die Betriebstemperatur das entscheidende Unterscheidungskriterium.

In Hochtemperatur-Brennstoffzellen läuft die kalte Verbrennung bei Betriebstemperaturen von 550 Grad bis 1.100 Grad Celsius ab. Während es zwar etwas dauert, bis diese erreicht sind, laufen die Zellen auch mit unreinem Wasserstoff zuverlässig. So lässt sich der Brennstoff allein über den Katalysator der Elektrode aus Erdgas gewinnen (reformieren). Ein teurer und energieintensiver externer Reformer ist im Aufbau der Brennstoffzelle dabei nicht nötig.

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

In Niedertemperatur-Brennstoffzellen läuft die kalte Verbrennung hingegen bei Temperaturen von weniger als 100 Grad Celsius ab. Da diese im Betrieb schnell zu erreichen sind, eignen sie sich auch für mobile Anwendungen wie Wasserstoffautos. Die Materialien reagieren hier jedoch sensibel auf Kohlenmonoxid, wodurch sie nur mit möglichst reinem Wasserstoff laufen. Das setzt wiederum einen zusätzlichen 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

Weiterführende und detaillierte Informationen finden Sie in unserem Beitrag "Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle".