Brennstoffzelle

Brennstoffzellenheizung
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, also eine Vorrichtung, die chemische in elektrische Energie umwandelt. Dazu ist die kontinuierliche Zufuhr eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels erforderlich, weshalb eine Brennstoffzelle im Sprachgebrauch auch als Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle bezeichnet wird. Insoweit arbeiten Brennstoffzellen sehr effizient, da der Umweg über die Umwandlung in Kraft und dann über einen Generator in Strom wegfällt. Die Brennstoffzelle ist ein Wandler und kein Energiespeicher, da die Energie zur Stromproduktion mit den Brennstoffen in chemisch gebundener Form zugeführt wird.

Die einfache Brennstoffzelle ist keine Erfindung unserer Zeit, sondern geht zurück auf das 19. Jahrhundert, als Christian Friedrich Schönbein 1838 zwei Drähte aus Platin mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und die elektrische Spannung zwischen den Drähten entdeckte. Zwischenzeitlich geriet diese Erfindung jedoch wegen der Erfindung des elektrischen Generators wieder in Vergessenheit. Heute ist die Brennstoffzelle wieder da. Allerdings bestehen hinsichtlich der Lebensdauer der Brennstoffzellen Defizite, weshalb die führenden Hersteller größere Feldtests durchführen auf der Suche nach dem bestmöglichen Material.

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle arbeitet nach einem einfachen Prinzip. Sie besteht aus zwei Elektroden, einer Anode, dem sogenannten Minuspol, und einer Kathode als Pluspol. Die Elektroden sind durch den Elektrolyt voneinander getrennt, der eine feste, ionendurchlässige Membran hat. Beide Elektroden sind mit einem Katalysator beschichtet, wobei es sich beispielsweise um Nickel oder Platin handeln kann. Wird der Anode Wasserstoff zugeführt, teilt diese sich in Protonen und Elektronen. Während die frei werdenden Elektronen durch den äußeren Kreislauf als elektrischer Strom genutzt werden, breiten sich die Protonen durch den Elektrolyt in Richtung Kathode aus. Dort verbinden sich die Elektronen aus dem äußeren Kreislauf mit den Protonen und dem Sauerstoff aus der Luft und geben Wasser und Wärme ab. Verbindet man die Kathode mit der Anode, baut sich durch die zwischen beiden Elektroden fließenden Elektronen Spannung auf, wodurch Antriebsenergie entsteht und die freiwerdende Reaktionswärme zusätzlich zum Heizen verwendet werden kann.
Brennstoffzellenheizung-Funktion

Funktionsweise einer PEMFC

„Proton Exchange Membrane Fuel Cell“ heißt abgekürzt PEMFC und ist ein spezieller Brennstoffzellentyp, der zur Kategorie der Niedertemperatur-Brennstoffzellen gehört mit einer Betriebstemperatur von unter 100 Grad Celsius. Die Besonderheit einer PEM-Brennstoffzelle besteht darin, dass ein edelmetallhaltiger Katalysator verwendet wird, bei dem es sich meistens um Platin handelt. Das Platin sorgt dafür, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren, und so entstehen an der Anode durch die Oxidation von Wasserstoff Protonen und Elektronen. Die zwischen der Anode und der Kathode erzeugte Potenzialdifferenz ist die treibende Kraft der Brennstoffzellenreaktion, die sich im äußeren Stromkreis in elektrische Arbeit umwandeln lässt. Da diese Brennstoffzellenart reinen Wasserstoff benötigt, kann Erdgas nicht direkt in der Brennstoffzelle verwertet werden. Stattdessen ist es erforderlich, dass das Erdgas zuvor in einem sogenannten Reformer aufbereitet wird, um es dann in der Brennstoffzelle nutzen zu können.

Funktionsweise einer SOFC

SOFC heißt „Solid Oxide Fuel Cell“ und bezeichnet Brennstoffzellen, die zur Kategorie der Hochtemperatur-Brennstoffzellen gehören. Sie arbeiten bei einer Betriebstemperatur, die zwischen 650 und 1.000 Grad Celsius liegt, wodurch die Verwertung von Erdgas ohne aufwändiges Reforming möglich wird. Dank der hohen Betriebstemperaturen findet das direkt in der Brennstoffzelle statt und zwar zusammen mit der eigentlichen elektrochemischen Reaktion, durch die Strom erzeugt wird.