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Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie eines Brennstoffs direkt in Elektrizität um. Diese Umwandlung ist sehr effizient, da keine thermomechanischen Zwischenschritte wie bei konventioneller Energieerzeugung erforderlich sind. Anders als bei Wärmekraftmaschinen unterliegen Brennstoffzellen nicht der Limitierung des Carnot-Wirkungsgrades. Ähnlich wie Batterien erzeugen Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Im Gegensatz zu Batterien müssen bei einer Brennstoffzelle die Reaktanten (Erdgas und Sauerstoff) jedoch kontinuierlich zugeführt werden.

Im Betrieb wird der Anode Wasserstoff zugeführt und dort oxidiert. Die dort entstehenden Protonen (H+ -Ionen) gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran zur Kathode und dort in Kontakt mit dem Oxidationsmittel (Sauerstoff der Umgebungsluft). Über einen externen Stromkreis (Verbraucher) fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dort nimmt der Sauerstoff aus der Umgebungsluft diese Elektronen auf und reagiert mit den Protonen zu Wasser.

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Brennstoffzellen als stationäre KWK-Anlagen

Bei der Umwandlung von chemischer Energie (z. B. Erdgas) in elektrische Energie entsteht immer auch Wärme. Durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom wird der eingesetzte Brennstoff effizient genutzt. Für den kleinen Leistungsbereich, der typisch für Wohngebäude ist, gibt es derzeit am Markt verschiedene Brennstoffzellen-Technologien, die für den Endkunden verfügbar sind. Dabei lassen sich bereits heute auch Ein- und Zweifamilienhäuser mit geeigneten Brennnstoffzellen-Systemen ausrüsten. Eine Brennstoffzelle als Heizgerät besteht aus mehreren Komponenten, die zusammen das Gesamtsystem bilden.

Die wichtigsten Komponenten einer kleineren, stationären Brennstoffzelle sind:

  • Brennstoffzellenstapel (engl. Stack)
  • Interne Steuereinheit
  • Gasaufbereitung
  • Wechselrichter (Inverter)
  • Wärmeübertrager
Schematische Darstellung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzips einer Brennstoffzelle (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzips einer Brennstoffzelle (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Brennstoffzellen weisen viele Vorteile gegenüber konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen auf:

  • Aufgrund der direkten Umwandlung des Brennstoffs in elektrische und thermische Energie lassen sich sehr viel höhere Wirkungsgrade als bei konventionellen KWK-Anlagen erzielen.
  • Durch das gute Teillastverhalten lassen sich Brennstoffzellen gut modulieren und somit dem jeweiligen Energiebedarf des Hauses anpassen.
  • Aufgrund des geräuscharmen Betriebs entstehen im Gegensatz zu konventionellen KWK-Anlagen kaum Lärmemissionen.
  • Bei Verwendung von reinem Wasserstoff als Brennstoff lässt sich der Ausstoß klimawirksamer Gase auf null reduzieren.
  • Die einzelnen Brennstoffzellen, gebündelt im Brennstoffzellenstapel, benötigen keine Wartung, da sie auf dem elektrochemischen Funktionsprinzip basieren und somit keine beweglichen Teile aufweisen.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Vor der Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff müssen die Schwefelverbindungen aus den Odorierungsmitteln - dies sind Stoffe, die Gasen oder Flüssigkeiten zur Erzielung eines spezifischen Geruchs aus Sicherheitsgründen beigemengt werden - entfernt werden. Dabei stellt sich die Adsorptionsentschwefelung mit Aktivkohle als ein verbreitetes Entschwefelungsverfahren dar. Dann wandelt ein Reformer in der Brennstoffzelle das eingesetzte Erdgas in ein wasserstoffreiches Prozessgas, da selten reiner Wasserstoff per Infrastruktur zur Verfügung steht. Es gibt verschiedene Reformierungsverfahren. Ein gängiges Verfahren ist die Dampfreformierung, da diese technisch ausgereift ist und vielen Herstellern am wirtschaftlichsten erscheint.

In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei Wärme und Strom entstehen. Die Brennstoffzellen-Heizung braucht dazu nur Erdgas, aus welchem sie den Wasserstoff gewinnt. (Foto: Viessmann, Allendorf)
In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei Wärme und Strom entstehen. Die Brennstoffzellen-Heizung braucht dazu nur Erdgas, aus welchem sie den Wasserstoff gewinnt. (Foto: Viessmann, Allendorf)

Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden. Dabei werden diese jeweils übereinander gestapelt und die zuvor beschriebene chemische Reaktion läuft in jeder einzelnen Zelle ab. Die Zusammenschaltung erfolgt überwiegend in Sandwich-Bauweise, d. h. die einzelnen Zellen werden aufeinander gestapelt und in Reihe geschaltet. Zwischen den einzelnen Zellen werden sogenannte bipolare Platten eingefügt, die sowohl die Zufuhr der Reaktanden (Luft und Wasserstoff) zu den Elektroden als auch die Stromableitung in der Stapelachse gewährleisten.

Brennstoffzellen-Typen im Überblick

Im Wesentlichen ist die Art des Elektrolyten für die Benennung der Brennstoffzelle ausschlaggebend. Des Weiteren werden Brennstoffzellen in zwei Gruppen nach ihrem Temperaturniveau klassifiziert, zum einen in die Niedertemperaturbrennstoffzellen und zum anderen in die Hochtemperaturbrennstoffzellen.

Bei den zwei für die Hausenergieversorgung gängigsten Typen handelt es sich um die PEMFC (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und die SOFC (engl. Solid Oxide Fuel Cell) Brennstoffzellen. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anderer Brennstoffzellentypen wie z. B. die AFC (alkalische Brennstoffzelle) und die PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle). Diese sind für einen stationären Einsatz unter 10 kW elektrisch nicht geeignet.

Für die stationäre Brennstoffzellentechnik bis 10 kW elektrisch sind die PEMFC und SOFC am weitesten entwickelt. Die untenstehende Tabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede zwischen der PEMFC- und der SOFC-Technologie. Diese Unterschiede sind gekennzeichnet vor allem durch die Ausbildung des Elektrolyten und die Höhe der Betriebstemperatur.

Tabelle: Überblick über die technischen Charakteristika von Brennstoffzellen-Typen
Brennstoffzelle Betriebstemperatur Elektrolyt Brennstoff Oxidant Einsatzgebiet
Alkalische Brennstoffzelle (Alkaline Fuel Cell AFC) 80 °C Kalilauge Wasserstoff Sauerstoff Verkehr
Membran-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran Fuel Cell PEMFC) 80 °C Festpolymer Wasserstoff, Methanol Sauerstoff/ Luft Verkehr, BHKW
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuell Cell PAFC) 200 °C Phosphorsäure Erdgas Luft BHKW
Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell MCFC) 650 °C Lithium- und Kaliumkarbonat Erdgas, Kohlegas Luft Kraftwerke, Heizkraftwerke
Oxidkeramik-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) 800 bis 1.000 °C Zirkondioxid Erdgas, Kohlegas Luft Kraftwerke, Heizkraftwerke

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"Brennstoffzelle: Aufbau & Funktionsweise" wurde am 15.02.2018 das letzte Mal aktualisiert.