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Ratgeber-Info, Brennstoffzelle

Kapitel:: » Strom sparen » Stromversorgung » Neue Technologien › Brennstoffzelle

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

In einer Brennstoffzelle wird chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoffzellen arbeiten damit prinzipiell wie Batterien oder Akkumulatoren. Im Unterschied zu diesen Stromspendern ist der Energievorrat jedoch nicht in der Brennstoffzelle gespeichert.  

Brennstoffzellen können die Wärme- und Stromversorgung eines Hauses abdecken. Günstig ist es, wenn viele Nutzereinheiten mit unterschiedlichen Gewohnheiten zu einer Vergleichmäßigung des Bedarfes führen.

Abb.: ASUE

Vergleich der Wärmeerzeugung eines Heizkessels mit dem Ergebnis einer Brennstoffzelle, Quelle: Institut für wirtschaftliche Oelheizung (IWO)

Bei einer Brennstoffzelle müssen die Ausgangsprodukte von außen zugeführt werden. Hier sind es Wasserstoff und Sauerstoff, die kontrolliert miteinander reagieren, wobei elektrische Energie frei wird. Das Reaktionsprodukt ist reines Wasser; es entsteht außerdem Wärme. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt je nach Brennstoffzellentyp zwischen 35 % und 65 %.

Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle, Quelle: Institut für wirtschaftliche Oelheizung (IWO)

Wasserstoff und Sauerstoff können nicht direkt zusammengeführt werden, es entstünde sonst ein heftig reagierendes Gasgemisch, das Knallgas. Es muss eine kontrollierte chemische Reaktion herbeigeführt werden. In der PEM-Brennstoffzelle (proton exchange membran) beispielsweise dient dazu eine spezielle elektrolytische Membran, auf der sich auf der einen Seite positiv geladene Wasserstoff-Ionen, auf der anderen negativ geladene Sauerstoff-Ionen bilden. Und wo Ladungen vorhanden sind, gibt es eine Spannung, die einen Stromfluss in Gang setzen kann. Pro einzelner Zelle entsteht eine Gleichspannung von 0,7 Volt. Mehrere Zellen zusammengeschaltet zu einem Stapel oder  ergeben eine nutzbare Spannung von mehreren Volt.

Für den Prozess der Stromerzeugung und die Funktion des Elektrolyten wird eine Betriebstemperatur, je nach Zellentyp, von 80 °C bis 1000 °C benötigt. Die benötigte Wärme entsteht andererseits bei der Reaktion von Wasser- und Sauerstoff zu Wasser. Der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff kann aus Methan (Erdgas), Methanol, Benzin o.ä. abgespalten werden.

Wasserstoff und Sauerstoff können auch durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Den dazu erforderlichen Strom stellen Solarzellen (siehe auch Fotovoltaik - Übersicht) zur Verfügung.

Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beträgt etwa 60 %. Bei gleichzeitiger Wärmenutzung entstehen Vorteile gegenüber der  Wärme-Kraft-Kopplung , bei der das Verhältnis Strom-Wärme umgekehrt ist.

Der Hersteller ZeTek-Power aus Großbritannien errichtete 2000 die erste vollautomatisierte Fertigung für preisgünstige Brennstoffzellen zwischen 50 und 200 kWel

Ein marktkonformer Preis wird mit 1500 EUR/kWelangegeben, der aber zur Zeit noch nicht erreicht wird.

Die Brennstoffzelle für den Betrieb mit reinem Wasserstoff gilt als serienreif, jedoch geht man davon aus, dass nur die Vor-Ort-Wasserstoffgewinnung aus Methanol, Erdgas oder Propan der Brennstoffzelle zum Markdurchbruch verhelfen kann.

Die Verwendung von Methanol hätte den Vorteil, dass es sich einfach wie Benzin tanken lasse. Der Nachteil besteht darin, dass Methanol erst in einem aufwendigen, energieintensiven Prozess (Reformer) Wasserstoff abspalten muss. Man arbeitet an preiswerten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.

Auf Basis der Proton Exchange Membran Technologie wird auch eine Brennstoffzelle entwickelt, die unter Anwendung von Photovoltaik-Strom selbst Wasserstoff erzeugt (Hogen-Brennstoffzellen-Generator).

Die Einsatzbereitschaft erster Brennstoffzellen für das Einfamilienhaus scheint für das Jahr 2005 realistisch.  Ob der Einsatz allerdings sinnvoll ist, bleibt abzuwarten. Wie bei allen Techniken der Kraft-Wärme-Kopplung ist die Wärmeleistung der Brennstoffzelle nach der Grundlast auszuwählen. Für die Spitze ist z.B. mit einer Gas-Therme nachzuheizen. Ein solcher Aufwand ist für sehr gut wärmegedämmte Häuser allerdings nicht gerechtfertigt.

Funktionsprinzip verschiedener Brennstoffzellentypen, Quelle: Institut für wirtschaftliche Oelheizung (IWO)

Brennstoff- zellentyp AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC
genaue Bezeichnung Alkalische Brennstoffz. (Alkaline Fuel Cell) Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffz. (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) Phosphorsaure Brennstoffz. (Phosphoric Acid Fuel Cell) Schmelz- karbonat Brennstoffz. (Molten Carbonate Fuel Cell) Oxid- keramische Brennstoffz. (Solid Oxid Fuel Cell)
Betriebs- temperatur 60 - 200°C 80 -100 °C 150 - 250 °C 550 - 650°C 900 - 1000°C
Brennstoff Hochreiner Wasserstoff oder CO2 freies Reformat Wasserstoff, Methanol oder Reformat Wasserstoff, Erdgas oder Reformat Erdgas, Kohlegas Erdgas, Kohlegas
elektrischer Wirkungsgrad 40 - 60 % 40 - 60 % 40 - 50 % größer 60 % größer 60 %
Leistungs- bereich 100 W - 20 kW 100 W - 10 MW 200 kW - 10 MW größer 100 MW größer 100 MW
Einsatz Raumfahrt, Militärtechnik Fahrzeug- antriebe, Hausenergie- Versorgung, portable Anwendungen Heiz- kraftwerke Heiz- kraftwerke Heiz- kraftwerke
Stand der Entwicklung Kommerziell verfügbar Prototypen Kleinserie Prototypen Prototypen
    


Datum der letzten Änderung: 06.06.2006 | © by f.nowotka
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