Wenn Ionen auf Wanderschaft gehen

So funktioniert die Brennstoffzelle

Ob im Keller, im Laptop oder im Auto: Mit ihrer Vielseitigkeit und ihrer hohen Effizienz bieten Brennstoffzellen ein bestechendes Potenzial für die künftige Energieversorgung. Das gilt besonders für die dezentrale, umweltschonende Deckung des Strom- und Wärmebedarfs von Gebäuden. Doch wie funktionieren diese "Mini-Kraftwerke" eigentlich?

Brennstoffzellen erzeugen aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und Wärme. Ihr Vorteil: Sie arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad. Ähnlich wie eine Batterie hat die Brennstoffzelle zwei Elektroden: eine Anode (Pluspol) und eine Kathode (Minuspol). Diese beiden Pole sind durch einen Elektrolyten* voneinander getrennt. Der Anode wird Wasserstoff, der Kathode Sauerstoff zugeführt. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen** wandern zur Kathode, während die negativen Sauerstoff-Ionen zur Anode zurückfließen. So entsteht eine Spannung, es fließt Strom. Gleichzeitig fällt Wärme an, die zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

Der notwendige Wasserstoff für Brennstoffzellen, die Gebäude mit Strom und Wasser versorgen sollen, lässt sich besonders gut aus Erdgas erzeugen, weil es von allen fossilen Energieträgern den höchsten Wasserstoffanteil aufweist. Jeder Erdgasanschluss lässt sich theoretisch für den Anschluss einer Brennstoffzelle nutzen.

Das alles gehört zur Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle selbst kann nur wenige Millimeter dick sein. Um aus diesem "Mikrokraftwerk" ein leistungsfähiges System herzustellen, gehören einige Komponenten dazu. Da ist zum einen die bereits beschriebene Zelle zu nennen. Um eine höhere Leistung zu erbringen, werden mehrere Zellen übereinander "gestapelt". Diese Stapel bezeichnet man nach dem englischen Begriff als Stack.

Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor, z.B. im Erdgas. Für den Brennstoffzellenprozess muss dieses - oder jedes andere Brenngas - "reformiert" werden: Der Wasserstoff wird aus seiner chemischen Verbindung gelöst. Das passiert im Reformer. Dem Reformer vor- und nachgeschaltet sind verschiedene Stufen der Gasaufbereitung (z.B. Entschwefelung, Gasreinigung). Sie geben dem Brenngas den benötigten "Reinheitsgrad". Bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht Wärme. Sie kann durch Wärmetauscher auf einen Heizungs- und Warmwasserkreislauf übertragen werden. Der Wechselrichter wandelt die vom Stack gelieferte Gleichspannung in Wechselstrom um. Ein Energiemanager steuert das Zusammenwirken der verschiedenen Komponenten und den bedarfsabhängigen Betrieb des Brennstoffzellensystems.

Pilotprojekte

Vor allem in der Hausenergieversorgung werden der Erdgas-Brennstoffzelle gute Zukunftschancen eingeräumt. Deshalb sind einige Brennstoffzellen-Heizgeräte im Feldtest. Allerdings wird es noch einige Zeit dauern, bis diese Technologie am Markt verfügbar ist. Nach Einschätzung der Initiative Brennstoffzelle (IBZ) werden erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgeräte für den kleinen Leistungsbereich nicht vor Ende des Jahrzehnts technisch marktreif sein.

Q u e l l e :  Initiative Brennstoffzelle (IBZ)

*) Elektrolyt: elektrisch leitende Flüssigkeit.
**) Ionen: positiv oder negativ geladene Teilchen (Elektronen, Protonen).

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