Brennstoffzelle Funktionsprinzip – Heizen ohne Verbrennung

"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.

Aufbau und Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Funktionsweise der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen wandeln Erdgas 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 den Verbraucher nutzbar gemacht. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Pufferspeicher abgegeben und zur Erwärmung des Trinkwassers oder des Heizkreises genutzt.

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.

Unterschiedliche Typen

Brennstoffzellen-Heizungen existieren in verschiedenen Ausführungen. Grundsätzlich wird zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzelle unterschieden.

PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): Die PEM ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einer Polymermembran. Sie nutzt einen Reformer, um aus dem Erdgas besonders reinen Wasserstoff zu gewinnen.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): Bei der SOFC dagegen kommt bei der Trennung von Ionen und Elektronen Zirkondioxid zum Einsatz. Sie kann Erdgas direkt einsetzen, benötigt aber als Hochtemperatur-Brennstoffzelle deutlich höhere Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 °C, um den Wasserstoff zu gewinnen.

Vorteile einer Brennstoffzelle

Sie gilt als das Energiesystem der Zukunft. Für Menschen, die sich innovativ und umweltschonend mit Energie versorgen wollen, ist eine Brennstoffzellen-Heizung die richtige Wahl.

Sie erzeugen elektrische und thermische Energie gleichzeitig und das vor Ort.
Die kalte Verbrennung ist besonders effizient und sorgt für einen hohen Wirkungsgrad.
Die Energie wird besonders schadstoffarm erzeugt.
Viele Hersteller bieten diese innovative Technologie an.
Die Geräte sind besonders verschleiß- und wartungsarm, da kaum bewegliche Teile verbaut sind.
Installation, Betrieb und Wartung sind nicht komplizierter als bei einem Gas-Brennwertkessel
Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren, zuverlässiger und leiser als Generatoren und arbeiten effizienter als Verbrennungsmotoren.

Wo werden Brennstoffzellen erfolgreich eingesetzt?

In Japan ersetzt die Technik Stück für Stück die herkömmlichen Heizungssysteme. Die ersten serienreifen Brennstoffzellen-Systeme für Einfamilienhäuser kamen 2010 auf den Markt. Aufgrund eines staatlichen Förderprogramms – die Käufer erhielten einen Zuschuss von umgerechnet etwa 10.000 Euro – fanden die Systeme reißenden Absatz. Das japanische Innovationsministerium schätzt vor allem die dezentrale Stromversorgung, die durch Brennstoffzellen möglich wird, was gerade in dem erdbebengeplagten Land ein großer Vorteil ist.

Praxisbeispiel: Neubauten mit Pioniercharakter in Langweid
Im schwäbischen Langweid am Lech bei Augsburg ist eine Neubausiedlung mit 62 Wohneinheiten in 30 Doppel- und Reihenhäusern entstanden – alle Häuser sind mit einer Brennstoffzelle zur Strom- und Wärmeversorgung ausgestattet. Damit ist "Langweid Village" das erste Baugebiet in Deutschland in dieser Größenordnung, das vollständig mit der klimaschonenden Technik ausgestattet ist.

Verantwortlich für das Projekt ist eine Allianz aus dem Energieversorger erdgas schwaben, dem Heizgerätehersteller Viessmann und dem Bauunternehmer Michael Dumberger. Alle Häuser sind als förderfähige KfW-55-Häuser mit hochwärmegedämmten Gebäudehüllen geplant. Damit haben sie nur noch einen geringen Heizwärmebedarf, der von den Brennstoffzellen-Heizgeräten gedeckt wird. Die Brennstoffzellengeräte produzieren zudem Strom, der im Haus selbst verbraucht wird. Das reduziert die laufenden Kosten und macht die Bewohner unabhängiger von kommenden Preisentwicklungen.

Mehr zum Brennstoffzellen-Dorf erfahren.

Autoantrieb per Brennstoffzelle

Brennstoffzellenautos sind serienreif. Bis dato haben aber nur wenige Hersteller den alternativen Antrieb, der mithilfe einer Brennstoffzelle direkt im Auto Strom erzeugt, bereits im Angebot.

Wir geben Antwort auf Ihre Fragen

Wann lohnt sich der Kauf der innovativen Brennstoffzellen-Technik? Worauf muss bei der Planung geachtet werden? Ist die Technik wirklich sicher? Wir haben die Antworten auf Ihre wichtigsten Fragen aufbereitet.

Zuschüsse für Brennstoffzellen sichern

Gasbetriebene Brennstoffzellen sind extrem energieeffizient und sparen CO₂ ein. Deshalb wird die Brennstoffzellentechnik besonders stark gefördert: mindestens 7.500 Euro gibt der Staat dazu.

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Geringste Heizkosten mit der Brennstoffzelle

Mit der Brennstoffzelle zieht die Zukunft des Heizens mit in Ihr neues Zuhause ein und überzeugt mit geringem Energieverbrauch, leistungsfähiger Technik und den niedrigsten Heizkosten im Heizungsvergleich.

Funktionsprinzip Brennstoffzelle