Brennstoffzellen

Brennstoffzellen

Die Brennstoffzellen-Technologie wird sich voraussichtlich mittelfristig zu einer Alternative für die dezentrale Erzeugung von Wärme und elektrischen Strom entwickeln. Sie zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus und wird den Bedarf an fossilen Energieträgern deutlich reduzieren können.

Derzeit werden von einigen Herstellern Prototypen von Brennstoffzellen entwickelt oder bereits in der Praxis erprobt. Nach Ansicht von Fachleuten wird mit der Markteinführung von Brennstoffzellen innerhalb der nächsten 5 Jahre gerechnet. In der Entwicklung sind derzeit fünf verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Sie unterscheiden sich in erster Linie durch den verwendeten Elektrolyt und durch die daraus resultierende Betriebstemperatur.

Brennstoffzellen-Systeme und ihre Merkmale

Unabhängig vom Zellentyp wird in jeder Brennstoffzelle ähnlich wie bei einer Batterie auf elektrochemischem Weg aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. Für den Einsatz im Bereich der Haustechnik (und im Kfz-Antrieb) scheinen sich derzeit aber nur Brennstoffzellen anzubieten, die nach dem PEM-System (Proton Exchange Membrane) arbeiten. Im Folgenden wird an diesem Beispiel das Prinzip der Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle beschrieben.

Das Kernstück einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer Polymer-Membran, die als Feststoff-Elektrolyt Kathode und Anode trennt und selektiv ausschließlich nur bestimmte Ionen (d.h. elektrisch geladene Teilchen) durchlässt.

Funktionsprinzip der Brennstoffzellen-Technik

Wirkungsgrade - Brennstoffzellen

Auf der einen Seite (an der Kathode) wird gasförmiger Sauerstoff, auf der anderen Seite (an der Anode) gasförmiger Wasserstoff eingebracht. An der Oberfläche der Anode werden Elektronen aus den Wasserstoff-Atomen gelöst. Die Elektronen gehen in den elektrischen Leiter über und ionisieren auf der Kathoden-Oberfläche Sauerstoff-Atome. Die positiv geladenen Wasserstoffatome (Protonen) wandern durch die Membran zur Kathode, reagieren dort mit den Sauerstoff-Atomen zu Wasser und schließen so den Stromkreis. Bei den anderen Brennstoffzellen-Typen erfolgt der Transport über andere Ionen als Ladungsträger.

Bei PEM-Zellen wird als „Brennstoff“ auf der Sauerstoff-Seite Luft verwendet. Da das für die Wasserstoff-Seite benötigte Wasserstoffgas gegenwärtig noch relativ teuer und schwer zu lagern ist, werden die Systeme derzeit in der Regel mit Erdgas (Methan, d.h. CH4) betrieben, aus dem in einem Vorgeschalteten so genannten Reformer-Prozess reiner Wasserstoff direkt im Aggregat erzeugt wird.

Bei der Umwandlung der beiden Gase zu Wasser wird elektrischer (Gleich-Strom) erzeugt und gleichzeitig Wärme abgegeben. Daher bietet sich der Einsatz von Brennstoffzeilen als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen an. Die wesentlichen Vorteile dieser Technologie liegen neben einer sehr kompakten Bauweise in den geringen Schadstoffemissionen, einem geräuscharmen Betrieb und hervorragenden Wirkungsgraden auch im Teillastbetrieb.

Gegenüber der herkömmlichen Strom- bzw. Wärmeerzeugung kann mit der Brennstoffzellen-Technologie der CO2-Ausstoß um 25 bis 50 % vermindert und der Primärenergie-Einsatz um rund 25 % reduziert werden. Ein PEM-Brennstoffzellen-Heizgerät liefert nach dem derzeitigen Entwicklungsstand etwa 4,5 kW elektrische und 7 kW thermische Leistung, die ausreichen würden, um in einem Einfamilien-Niedrigenergiehaus wesentliche Teile des Wärme- und Strombedarfs zu decken.

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