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Was ist eine Brennstoffzelle?

Brennstoffzellen gibt es bereits seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts: 1838 entdeckten Christian Friedrich Schönbein und William Grove, dass sich die Elektrolyse von Wasser (Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrischen Strom) auch umkehren lässt. Bei der kontrollierten Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff wurde Strom erzeugt. Die Brennstoffzelle stieß zunächst auf Begeisterung, verschwand aber aufgrund ihrer Komplexität bald in der Versenkung. Zusätzlich förderte die Erfindung des Generators durch Siemens das Vergessen, denn mittels Dampfmaschine konnte nun sehr einfach Strom erzeugt werden. Erst zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Brennstoffzelle als geeignetes und leistungsfähiges Element für Unterseeboote und die Raumfahrt wiederentdeckt. Tauchboote, Satelliten und Raumkapseln erzeugen mit Brennstoffzellen Wärme und Strom für Bordsysteme und Besatzung.

Funktionsweise von Brennstoffzellen

Vom Prinzip her funktioniert eine Brennstoffzelle wie eine Batterie: Zwei Elektroden (Anode und Kathode) werden durch einen Elektrolyten getrennt. Eine chemische Reaktion, die sich zwischen den beiden Elektroden abspielt, führt zu Wasser als Reaktionsprodukt. Als Reaktionspartner dienen in den meisten Fällen Wasserstoff und Sauerstoff. Es können je nach Brennstoffzellentypen (z.B. DMFC, PEMFC) aber auch Kohlenwasserstoffverbindungen wie Erdgas, Butan und Methanol als Brennstoff genutzt werden.

Bei der kontrollierten „kalten“ Verbrennung in einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzellenheizung reagiert der Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu Wasser. Dabei wird Strom erzeugt und es entsteht Wärme. Da es für die Beheizung von Gebäuden noch keine relevante Infrastruktur für Wasserstoff gibt, erzeugt zumeist ein sogenannter Reformer für die Brennstoffzelle aus Erdgas Wasserstoff. Am ökologischsten ist es, wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien stammt. Überschüssiger Strom aus Windenergie und Photovoltaik kann mithilfe der Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff genutzt werden. Dieser kann wiederum für die Brennstoffzelle verwendet werden.

Vorteile einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellentechnik ist teilweise mit dem Blockheizkraftwerk (BHKW) verwandt. Während das BHKW auf einen Motor und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie und Wärmeenergie setzt, findet in der Brennstoffzelle lediglich eine elektrochemische Reaktion statt, die einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist. Da ein Motor mit beweglichen Teilen entfällt, arbeiten Brennstoffzellen nahezu verschleißfrei und geräuschlos. Als Emissionsprodukt entsteht neben Wasserdampf beim Einsatz von Erdgas als Energielieferant auch CO2. Der Einsatz einer Brennstoffzellenheizung muss hinsichtlich Eignung für das Gebäude und Rentabilität geprüft werden, denn die Kosten für die Anschaffung sind hoch und eine Brennstoffzelle produziert nur den Grundbedarf an Wärme. Dadurch ist sie besser für moderne und gut gedämmte Gebäude geeignet als für Häuser mit dauerhaft hohem Wärmebedarf.

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