Brennstoffzelle Funktionsprinzip

„Kalte“ Verbrennung liefert zuverlässig Wärme und Strom

Ganz ohne Verbrennung erzeugen Brennstoffzellen Wärme und Strom. Ihre Entwicklung folgt damit der Idee von einer möglichst unabhängigen Versorgung.

Definition: Was sind Brennstoffzellen?

Geringe Heizkosten mit der Brennstoffzelle

Funktionsprinzip ist nicht neu: So wurde die erste Brennstoffzelle bereits um 1840 entwickelt. Diese Technologie nutzt die chemische Energie eines Brennstoffs, wie beispielsweise ERDGAS und wandelt diese in elektrischen Strom und Wärme um.


Der im ERDGAS enthaltene Wasserstoff reagiert mit zugeführtem Sauerstoff aus der Luft. Es kommt zu einer kontrollierten Knallgasreaktion. In der Brennstoffzelle wird diese Reaktion jedoch durch eine räumliche Trennung der beiden Stoffe verlangsamt. Dieser Vorgang wird auch als “kalte Verbrennung” bezeichnet. Eine gasundurchlässige Elektrolytmembran sorgt für eine getrennte Leitung der Ionen (positive Ladung) und Elektronen (negative Ladung).

 

So entstehen elektrischer Strom und danach Wärmeenergie in Form von Warmwasser. Beides kann ohne Verluste im Haushalt genutzt werden.

Für Experten: So funktioniert die Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – der Anode (Minuspol) und der Kathode (Pluspol). Sie sind getrennt durch den Elektrolyt mit einer festen, ionendurchlässigen Membran. Jede der Elektroden ist mit einem Katalysator beschichtet, z. B. Nickel oder Platin. Nachdem Wasserstoff der Anode zugeführt wurde, teilt er sich in Elektronen und Protonen.

Funktion der Brennstoffzelle im Erklärvideo

Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entstehen Strom, Wärme und Wasser. Der entstehende Gleichstrom wird in den Inverter geleitet und in für den Verbraucher nutzbaren Wechselstrom umgewandelt. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben und zur Erwärmung des Trinkwassers oder des Heizkreises genutzt.

Was passiert genau in einer Brennstoffzelle?

Die freien Elektronen werden als brauchbarer elektrischer Strom durch den äußeren Kreislauf genutzt. Die Protonen breiten sich durch den Elektrolyt zur Kathode aus. An der Kathode verbindet sich der Sauerstoff aus der Luft mit Elektronen aus dem äußeren Kreislauf und Protonen. Gemeinsam ergeben sie Wasser und Wärme.

 

Zwischen Kathode und Anode kann sich nun eine Spannung aufbauen. Verbindet man beide Elektroden miteinander, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode und liefern so Antriebsenergie. Die Reaktionswärme kann zusätzlich zum Heizen genutzt werden. Wasserstoff kann direkt zugeführt werden oder auch ERDGAS mit einem vorgeschalteten Reformer.

 

Funktionsweise der Brennstoffzellen unter der Lupe

   

Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entstehen Strom, Wärme und Wasser. Der entstehende Gleichstrom wird in den Inverter geleitet und in für den Verbraucher nutzbaren Wechselstrom umgewandelt. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben und zur Erwärmung des Trinkwassers oder des Heizkreises genutzt.

 

Wo werden Brennstoffzellen erfolgreich eingesetzt?

Praxisbeispiel: Neubauten mit Pioniercharakter in Langweid

 

Im schwäbischen Langweid entsteht gerade eine Neubausiedlung, die das Zeug zum Vorzeigeprojekt hat. Denn alle Häuser erhalten Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeversorgung.


In anderen Ländern sind Brennstoffzellen im Wohnbereich schon seit Jahren erfolgreich im Einsatz, in Deutschland steht die Markteinführung der innovativen Technik noch am Anfang. Zwar wurden Brennstoffzellenheizungen bereits in einzelnen Gebäuden eingebaut, doch noch nie in größerem Maßstab. Das ändert sich jetzt: In Langweid am Lech bei Augsburg entsteht gerade ein Neubaugebiet mit 62 Wohneinheiten in 30 Doppel- und Reihenhäusern, von denen jedes Gebäude eine Brennstoffzelle erhält. Damit ist "Langweid Village" das erste Baugebiet in Deutschland in dieser Größenordnung, das vollständig mit der klimaschonenden Technik ausgestattet sein wird. 


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 künftigen Bewohner unabhängiger von kommenden Preisentwicklungen.


Die Anlagen vom Typ Vitovalor 300-P stammen von Viessmann. Betrieben werden sie mit ERDGAS. Weil die Brennstoffzellen das Gas in Wärme und Strom umwandeln, können die Geräte mit einem minimalen CO2-Ausstoß punkten. Bei einer elektrischen Leistung von 750 Watt fällt etwa ein Kilowatt Wärme für Heizung und Warmwasser ab. Für die Deckung von Wärmebedarfsspitzen springt ein integrierter Gas-Brennwertkessel ein. Durchschnittlich spart jede dieser Brennstoffzellen 1,1 Tonnen CO2 im Jahr ein. 


Weil das so ist, fördert sie die Bundesregierung mit Zuschüssen. Zusätzlich zum Grundbetrag von 5.700 Euro zahlt der Staat für die Anschaffung der Geräte noch einen leistungsabhängigen Betrag in diesem Fall sind es immerhin 3.600 Euro, der Betrag kann aber auch höher ausfallen.

 

Japan setzt auf Brennstoffzellen im Heizungskeller 

 

In Japan ersetzt die Technik nun 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. 


Niedrigste Heizkosten mit einer Brennstoffzelle auf Erdgasbasis

Geringste Heizkosten mit der Brennstoffzelle

Mit innovativer Brennstoffzellentechnik zieht die Zukunft des Heizens gleich mit in Ihr neues Zuhause ein. Durch ihren extrem geringen Energieverbrauch und die besonders leistungsfähige Technik überzeugt die Brennstoffzelle mit den niedrigsten Heizkosten im Vergleich mit anderen Heizungen.
Wissenswertes zu Brennstoffzellen

FAQ Brennstoffzelle

Haben Sie noch Fragen zum Funtkionsprinzip der Brennstoffzelle oder möchten Sie mehr wissen? Wir geben Ihnen Antworten auf Ihre Fragen rund um die innovative Brennstoffzellen-Technologie.

Viele Hersteller haben Brennstoffzellen im Produktsortiment

Gerätehersteller

Zahlreiche Anbieter haben die innovative Brennstoffzelle bereits in ihr Sortiment aufgenommen, andere bereiten den Launch ihrer Geräte derzeit vor: eine Übersicht über die Hersteller und ihre Angebote.

Wer hat die Brennstoffzelle erfunden?

Brennstoffzellen sind eine deutsche Erfindung. Entdeckt wurde ihr Prinzip bereits 1838 vom deutschen Chemiker Christian Friedrich Schönbein, als er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte.