Funktion und Aufbau der Brennstoffzelle in der Heiztechnik

1. März 2021
Die Brennstoffzellenheizung wird von vielen Akteuren als "Heizung der Zukunft" beworben. Aus der Sicht des Endanwenders ist die Technologie durchaus attraktiv: mit den aktuellen Modellen erhält der Kunde Strom und Wärme direkt aus einem Gerät. Zumindest, so lange ein Erdgasanschluss verfügbar ist. Dann ist der Einbau eines Brennstoffzellen-BHKW nicht komplexer als der Einbau einer handelsüblichen Gasbrennwertheizung. Wie die Brennstoffzelle in der Heiztechnik funktioniert und sie aufgebaut ist.
Dieser Artikel wurde von
Thorben Frahm für www.Heizungsfinder.de verfasst.
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HeizungenBrennstoffzelleDie BrennstoffzellenheizungWie die Brennstoffzelle funktioniert

Wie eine Brennstoffzelle funktioniert

Die Brennstoffzelle ist eine tertiäre galvanische Zelle mit externer Brennstoffzuführung. Der Name lässt es naheliegend erscheinen, eine Brennstoffzelle ist jedoch keine Batterie: sie wandelt über kalte Verbrennung die chemische Energie in elektrische und thermische Energie um.

In diesem konkreten Beispiel behandeln wir die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Für den Betrieb dieser Art von Brennstoffzelle ist im Prinzip hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff notwendig. Treffen diese beiden Stoffe unkontrolliert aufeinander, reagieren die beiden Stoffe miteinander in der sogenannten Knallgasreaktion. Ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff ist schon bei niedrigen Mengen explosiv.

Der spezifische Aufbau einer Brennstoffzelle sorgt dafür, dass die Reaktionspartner voneinander getrennt bleiben und die Reaktion kontrolliert abläuft. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird einfach in mehrere Einzelschritte unterteilt. Die Knallgasreaktion unterbleibt und es wird gleichzeitig Strom zur Verfügung gestellt.

Beispielhafter Aufbau anhand einer PEMFC-Brennstoffzelle

By derivative work: Matt, Fuel_cell_PEMFC.svg:Nécropotame at fr.wikipedia (Fuel_cell_PEMFC.svg) [FAL], from Wikimedia Commons

Eine Brennstoffzelle benötigt für den sicheren Betrieb die beiden Elektroden Anode (negativer Pol) und Kathode (positiver Pol). Eine semipermeable Membran oder ein Elektrolyt trennt die beiden Elektroden voneinander. In diesem Fall kommt eine Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membrane, PEM) zum Einsatz, die diesem Brennstoffzellentyp ihren Namen verleiht.

An der Anode findet die Oxidation des Wasserstoffes statt. Ein Wasserstoffmolukül gibt zwei Elektronen ab und wird selbst zu zwei Wasserstoffionen - zwei positiv geladenen Protonen. Diese passieren die Membran und gelangen auf die gegenüberliegende Seite der Brennstoffzelle. Die bei der Oxidation des Wasserstoffes an der Anode freiwerdenden Elektronen fließen über einen Draht bzw. Verbraucher auf die andere Seite. Dies ist Strom, den man nutzen kann.

2 H2 ⟶ 4 H+ + 4 e- Oxidation / Elektronenabgabe

Kommen die Elektronen an der Kathode an, reduzieren sie den dortigen Sauerstoff und es entstehen negativ geladene Sauerstoffionen. Sie reagieren mit den eintreffenden Wasserstoffionen, die positiv geladen sind. Es entsteht Wasser (beziehungsweise Wasserdampf).

O2 + 4 H+ + 4 e- ⟶ 2 H2O Reduktion / Elektronenaufnahme

Die Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 ⟶ 2 H2O Redoxreaktion / Zellreaktion

Brennstoffzellentypen und ihr Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern

So weit zur grundlegenden Funktion einer Brennstoffzelle. In unserem Artikel zur Brennstoffzellenheizung zeigen wir, wie die Brennstoffzellenheizung das Wirkungsprinzip der Brennstoffzelle zum Heizen und zur Stromerzeugung nutzbar macht und wieso diese Art zu Heizen in absehbarer Zukunft sehr interessant werden wird.

Es bestehen Unterschiede zwischen den gängigen Brennstoffzellen-Heizungen: Niedertemperatur-Brennstoffzellen (oder PEMFC - "Proton Exchange Membrane Fuel Cell") benötigen einen externen Reformator, um aus dem Erdgas das "Reformat" aufzubereiten, während Hochtemperatur-Brennstoffzellen (oder SOFC - "Solid Oxide Fuel Cell" / Festoxid-Brennstoffzelle) einen internen Reformer besitzen und nicht so hohe Bedingungen an die Gasreinheit stellen. Die externe Reformation des Erdgases ist energieaufwändiger, jedoch hat die PEMFC andere Vorteile. Die Details hierzu finden Sie in unserem Artikel zu den Brennstoffzellentypen. Dort gehen wir etwas mehr ins Detail und schauen uns die zwei gängigsten Varianten der Brennstoffzellen im Heizeinsatz für kleinere Immobilien einmal genauer an.


Weiterlesen zum Thema "BHKW vs. Brennstoffzelle"

Erfahrungen & Fragen zum Thema Brennstoffzelle

Neue Heizung im Altbau - bislang keine Zentralheizung vorhanden

Wenn man in einem alten Haus indem keine Zentralheizung (nur Nachtspeicheröfen) vorhanden ist, eine Heizung einbauen will, welche bietet sich da am besten an? Also zunächst wird erstmal ordentlich gedämmt.
Antwort von Greentec-Solar GmbH

Was als Alternative zur alten Nachtspeicheröfen installiert werden kann hängt hauptsächlich davon ab, welchen Umfang an Arbeiten Sie akzeptieren können/wollen.
Soll es eher nur eine Renovierung werden, bei der Wände und Fußböden erhalten bleiben sollen oder wird es eine Sanierung, bei der Schäden im Wandputz keine Rolle spielen oder gar der Bodenbelag inkl. Estrich raus kann/ darf/ soll.
Es gibt die Möglichkeit „modernere“ Nachtspeicheröfen einzubauen oder Infrarotheizkörper. Vorteil: vorhandene Kabel können genutzt werden, wenig Kolateralschaden an Wände und Böden , Nachteil: Heizen mit elektrischen Strom ist bei einer Stromdirektheizung am teuersten. Die kWh-Wärme kostet Ihnen dann ca. 0,27€/kWh ( Öl kostet ca. 0,09€/kWh, Gas etwas weniger, Pellets etwas weniger als Gas)

Eine Wärmepumpe benötigt ebenfalls Strom, aber im Gegensatz zu einer Stromdirektheizung wird hier Luftwärme oder Erdwärme genutzt, deshalb sind hier die Stromkosten niedriger ( ca, 0,10€/kWh Luft bzw. 00,07€/kWh Erdwärme).
Eine Wärmepumpe benötigt für einen effizienten Betrieb eine Flächenheizung ( Fußboden, Wand und/oder Decke).
Es gibt wasserblauerer Fußbodenheizungen für die Altbausanierung die insgesamt nur 50mm Aufbauhöhe haben ( Trockenestrichelemente oder Spezial-Nassesteiche.

Sollen normale Heizkörper nachgerüstet werden, kann man die halbwegs elegant mit Sockelleisten-Verrohrung bewerkstelligen. Ob dann die Steigleitungen zwischen den Geschossen Aufputz oder Unterputz verlegt werden ist eine Kostenfrage. Bei der Installation von Heizkörpern ist man dann aber auf Feuerungsheizungen ( Pellet, Gas oder wer sich das antun möchte auch Öl) angewiesen, weil die Heizkörper eine höhere Vorlauftemperatur benötigen. Eine derzeit übliche Wärmepumpe wird bei hohen Vorlauftemperaturen unwirtschaftlich.

Wann lohnt sich eine Brennstoffzelle?

Wir haben ein Einfamilienhaus mit 150qm Wohnfläche. Unsere Buderus Gasheizung soll vor der nächsten Heizperiode ausgetauscht werden. Bei Recherchen bin ich da auf die Brennstoffzelle gestoßen. Da sind ja höhere Kosten aber auch eine attraktivere Förderung zu erwarten (z.B. https://www.heizungsfinder.de/brennstoffzelle/heizung-foerderung). Ab wann lohnt sich das Ihrer Meinung nach? Ist das Konzept schon ausgereift und welche Hersteller sind zu empfehlen?
Antwort von Buderus Deutschland

Die Wärme und Strom erzeugende Brennstoffzelle Logapower FC10 von Buderus ist die zukunftsweisende Lösung für effiziente und umweltschonende Energienutzung.Hausbesitzer können attraktive Fördermöglichkeiten bis zu 10.530 € pro Anlage in Anspruch nehmen.
Damit liegen die Investitionskosten abzüglich Förderung bei ca.19000 €. Nähere Informationen zu Fördermöglichkeiten erhalten Sie im Buderus „Serviceleitfaden“, unter der Hotline 06190-9263-492

Unter diesem Link erhalten Sie weitere Informationen.
https://www.buderus.de/de/produkte/catalogue/buderus-produkte-fur-ihr-haus/stromerzeugung/brennstoffzellen-energiezentrale
/102411_logapower-fc10.

Sofern Sie einen Einschätzung/Vergleich zu einer Gasbrennwertheizung bzw. in Kombination mit Solarer Unterstützung wünschen, benötigen wir noch weitere Angaben wie Stromverbrauch, bisheriger Gasverbrauch, aktueller Strom und Gaspreis.
Sobald diese Daten vorliegen können wir eine genauere Einschätzung vornehmen.

Ölheizung austauschen: gegen was?

Wir müssen bis 2022 unsere Ölheizung austauschen. Welche Heizungsart ist in diesem Fall sinnvoll?
Antwort von Haustechnik August Diez

Sollten die Öltanks noch 20 Jahre halten würde ich eine Ölbrennwertheizung einbauen, eventuell mit Solarenergie. Wenn Gas im Haus ist würde ich eine Gasbrennwertheizung installieren. Die Gasbrennwertheizung ist vom Kosten/Nutzen die einfachste Lösung. Es sollte aber eine Beratung vor Ort durchgeführt werden.

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