Funktion und Aufbau der Brennstoffzelle in der Heiztechnik
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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.