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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.   
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Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

BrennstoffzellenBrennstoffzelle
In einer Brennstoffzelle wird chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die Brennstoffzelle besteht - ähnlich wie eine Batterie - aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten räumlich voneinander getrennt sind. Wasserstoff wird der Anode und Sauerstoff der Kathode zum Zwecke einer kontrollierten Reaktion zugeführt. Bei der Reaktion der beiden Gase entsteht zwischen Anode und Kathode eine nutzbare elektrische Spannung sowie Wärme, die ebenfalls genutzt werden kann (solte). Das Reaktionsprodukt ist reines Wasser. Das an der Reaktion beteiligte Brenngas Wasserstoff kommt in der Natur nur in gebundener Form vor (z.B. im Erdgas) und muss daher erst aufbereitet werden (Reformer). Wasserstoff und Sauerstoff könnten auch durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Der dazu erforderliche Strom kann aus Solarzellen (Fotovoltaik)stammen.
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 WasserstoffWasserstoff
Wasserstoff (chemisches Zeichen H) ist ein farb- und geruchloses, brennbares Gas mit hohem Energieinhalt. Es kommt u.a. in Kohlenwasserstoffen chemisch gebunden vor (Heizöl, Erdgas). Wasserstoff wird für die Stromerzeugung in Brennstoffzellen benötigt, wobei als Abgas Wasserdampf entsteht.
und Sauerstoff, die kontrolliert miteinander reagieren, wobei elektrische EnergieEnergie
Energie ist die Fähigkeit eines Energieträgers eine physikalische Arbeit zu verrichten. Sie kann die Wohnung oder Wasser erwärmen, Licht erzeugen, einen Motor drehen, einen Zug bewegen usw.. Angegeben wird die Energiemenge in kWh oder Joule.
frei wird. Das Reaktionsprodukt ist reines Wasser; es entsteht außerdem Wärme. Der WirkungsgradWirkungsgrad
Der Wirkungsgrad stellt das Verhältnis von nutzbarer zu aufgewendeter Energie bzw. Arbeit oder Leistung dar. Bei Wärmeerzeugern, die Brennstoffe wie Öl, Gas, Holz oder Kohlen verbrennen, unterscheidet man: Feuerungswirkungsgrad, Normnutzungsgrad, Jahresnutzungsgrad. Bei Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad mit der Leistungszahl ausgedrückt.
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-BrennstoffzellePEM-Brennstoffzelle
In der PEM-Brennstoffzelle (proton exchange membran); reagieren Wasserstoff und Sauerstoff, durch eine nur für positiv geladenen Wasserstoffionen durchlässige Membran getrennt, zu Wasser, wobei elektrischer Strom und Wärme entsteht.
(protonProton
Ein Proton ist ein Träger einer positiven Ladung (im Gegensatz zum Elektron). Zusammen mit den Neutronen bilden Protonen den Atomkern. Ein Protonenüberschuss erzeugt ein positive Ladung.
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 SpannungSpannung
Die elektrische Spannung - häufig auch als Stromspannung bezeichnet - gibt die Ladungsdifferenz zwischen zwei Polen (Minuspol und Pluspol) an. Die Höhe der Spannung wird in Volt (V) angegeben. Das Formelzeichen ist U. Man unterscheidet Gleichspannung (Batterie, Betriebspannung im Computer, Solarstrommodul) und Wechselspannung (Steckdose, Dynamo).
, die einen Stromfluss in Gang setzen kann. Pro einzelner Zelle entsteht eine GleichspannungGleichspannung
Gleichspannung liegt vor, wenn sich die Polarität einer Spannungsquelle nicht ändert, es gibt also einen Minus- und einen Pluspol. Ist an beiden Polen ein Verbraucher angeschlossen, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Gleichstrom, d.h. ein gerichteter Strom in eine Richtung. Gleichspannung wird benötigt in allen elektronischen Geräten mit Halbleitern und wird bereitgestellt durch Batterien, Akkumulatoren, Solarzellen, Brennstoffzellen oder entsprechende Netzteile. Im Gegensatz dazu liefert unser Hausnetz eine Wechselspannung bzw. Wechselstrom.
von 0,7 VoltVolt
Ein Volt ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung und hat das Formelzeichen V. Ein Volt misst man über einem Widerstand von einem Ohm, durch den ein Strom von einem Ampere fließt.
. Mehrere Zellen zusammengeschaltet zu einem Stapel oder  ergeben eine nutzbare Spannung von mehreren Volt.

Für den Prozess der Stromerzeugung und die Funktion des ElektrolytenElektrolyt
Ein Elektrolyt ist ein Stoff, z.B. eine Salzlösung, die elektrisch geladene Teilchen wie Elektron(en) oder Ion(en) leitet. Bei der Brennstoffzelle wird ein gasdichter Elektrolyt benötigt, um eine Knallgasreaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu verhindern.
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 MethanMethan
Methan (CH4) ist der einfachste gasförmige Kohlenwasserstoff mit einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Methan entsteht in der Natur durch Zersetzung organischer, also kohlenstoffhaltiger Stoffe (Sumpfgas, Biogas). Methan ist Hauptbestandteil des Erdgases und der meisten Biogase. Methan ist wie Kohlendioxid ein klimarelevantes Gas.
(ErdgasErdgas
Erdgas besteht überwiegend aus Methan (CH4). Infolge des hohen Anteils von Wasserstoffatomen (H) ist Erdgas besonders gut geeignet für die Brennwerttechnik und als Wasserstofflieferant für Brennstoffzellen.
Erdgas ist der emissionsärmste fossile Brennstoff. Bei der Verbrennung entsteht so gut wie kein Schwefeldioxid, Ruß oder Feinstaub.
), MethanolMethanol
Methanol (CH3OH) ist auch als Methylalkohol bekannt. Methanol ist eine farblose Flüssigkeit, die als Lösungsmittel, bei der Herstellung von Formaldehyd und als Brennstoff für mobile und stationäre Brennstoffzellen eingesetzt wird. Früher wurde Methanol aus der Destillation von Holz gewonnen. Heute wird Methanol unter hohem Druck bei Anwesenheit eines Katalysator(s) aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff hergestellt. Methanol findet sich auch als Luftschadstoff in der Innenraumluft (z.B. aus Lösungsmitteln, Scheibenreiniger)
, Benzin o.ä. abgespalten werden.

Wasserstoff und Sauerstoff können auch durch ElektrolyseElektrolyse
Mit Elektrolyse bezeichnet man einen physikalisch-chemischen Vorgang. Er läuft ab, wenn man eine Spannung an Elektroden anlegt, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet (z.B. Anode und Kathode im Wasser). Im genannten Beispiel kommt es zur Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff und Sauerstoff. Über diesen Vorgang ließe sich z.B. fotovoltaisch erzeugter Strom zur Erzeugung von Wasserstoff für eine Brennstoffzelle erzeugen.
von Wasser gewonnen werden. Den dazu erforderlichen StromStrom
Strom ist der Fluss von Ladungsträgern in einem elektrischen Leiter. Durch einen eingeschalteten elektrischen Verbraucher, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Strom. Der Strom wird angetrieben von der Spannung, die an den beiden Polen bzw. Kontakten des Verbrauchers anliegt. Die Höhe des Stromes (Stromstärke) ist abhängig von der Höhe der Spannung und des elektrischen Widerstandes des Leitungsnetzes und des elektrischen Verbrauchers.
stellen SolarzellenSolarzelle
SolarzelleDie Solarzelle ist der Grundbaustein der Stromerzeugung aus der Sonnenenergie (Solarstrahlung). Die Solarzelle besteht aus lichtempfindlichen Halbleitern (Material meist Silizium), die beim Auftreffen von Licht eine Gleichspannung von maximal 0,7 Volt abgeben können. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarstrommodul verschaltet (Reihenschaltung), wodurch sich eine höhere Spannung von z. B. 12 oder 24 Volt ergibt. Man unterscheidet monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen
(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 PropanPropan
Propan ist ein geruchloser, gasförmiger Kohlenwasserstoff, der aus drei Kohlenstoff- und acht Wasserstoffatomen besteht (Strukturformel C3H8). Propan fällt bei der Destillation bzw. beim Cracken von Erdöl an. Propan ist neben Butan Hauptbestandteil von Flüssiggas und verbrennt rückstandsfrei zu Kohlendioxid und Wasserdampf. Propan ist schwerer als Luft, weshalb bei Kelleraufstellung von Heizkesseln, die mit Flüssiggas betrieben werden, Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen.
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 (ReformerReformer
Der Reformer ist eine Einrichtung zur Aufbereitung der Brenngase für eine Brennstoffzelle. Mit katalytischen oder thermischen Verfahren wird, z.B. aus Erdgas (CH4) oder Methanol, Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle erzeugt.
) 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 PhotovoltaikPhotovoltaik
andere Schreibweise für Fotovoltaik; Mit Fotovoltaik bezeichnet man die Technik zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrischen Strom. Genutzt wird das fotovoltaisches Prinzip.
-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-KopplungKraft-Wärme-Kopplung
Mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die kombinierte (gekoppelte) Erzeugung von Strom und Wärme in einem Prozess mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) gemeint. Eine Verbrennungskraftmaschine erzeugt die Drehbewegung für einen Stromgenerator. Auf diese Weise kann Strom und Wärme im Prinzip aus allen Brennstoffen erzeugt werden. Bei Klein-BHKW kommen vorwiegend flüssige und gasförmige Brennstoffe zum Einsatz.
ist die Wärmeleistung der Brennstoffzelle nach der GrundlastGrundlast
Mit Grundlast bezeichnet man einen immer vorhandenen, weitgehend kontinuerlichen Bedarf nach einer bestimmten elektrischen Leistung oder einer Wärmeleistung, die während des Tages oder innerhalb einer Nutzungsperiode nicht unterschritten wird. Im Einfamilienhaus stellt die Warmwasserbereitung eine Grundlast dar, da sie im Sommer wie im Winter täglich in etwa gleichbleibender Höhe gedeckt werden muss. 
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 %
LeistungsLeistung
Die Leistung ist die pro Zeiteinheit umgesetzte oder verbrauchte Energiemenge (Wärme oder Strom). Die Einheit der Leistung ist das Watt (Kurzzeichen W, 1000 W = 1 kW - ein kiloWatt). Die in Anspruch genommene oder abgegebene Leistung ergibt sich, indem die verbrauchte Energiemenge (angegeben in kWh) durch die Zeit (in Stunden h) dividiert wird. Ein Heizgerät mit einer Leistung von 2 kW (Heizkörper, Elektrokonvektor o.ä.) verbraucht bei ununterbrochenem Betrieb in einer Stunde 2 kWh Wärme ab und verbraucht dabei auch 2 kWh Energie.
- bereich
100 W - 20 kW 100 W - 10 MWMW
MW ist die Kurzbezeichnung für MegaWatt (Leistung), 1MW = 1.000 kW (kiloWatt) = 1.000.000 W (Watt)
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
    

© by f.nowotka | zuletzt geändert am: 06.06.2006 | 34968 x gelesen


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