Bei der sogenannten „kalten Verbrennung“ entstehen im Brennstoffzellen-Heizsystem Strom und Wärme

Die Brennstoffzelle ist im Grunde eine deutsche Erfindung. Bereits im Jahr 1838 machte der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein in Basel in der Schweiz eine spektakuläre Entdeckung. Er legte zwei Platindrähte in Salzsäure ein und umspülte diese mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff. Bei diesem Vorgang stellte er eine elektrische Spannung zwischen den Drähten fest – dabei entwickelte sich auch Wärme. Dieses hier vereinfacht dargestellte Prinzip nutzen Brennstoffzellen.

Basis für die Funktionsweise der Brennstoffzellenheizung ist die Kraft-Wärme-Kopplung. So erzeugt das System außer Wärme auch Strom. Im Grunde kennen viele die in den Anlagen ablaufende elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels und eines Brennstoffes noch aus dem Chemieunterricht. Bei diesem Prozess, der sogenannten „kalten Verbrennung“, wird Energie frei – kalte Verbrennung deshalb, weil keine klassische Verbrennung durch Motoren oder Turbinen erfolgt.

Elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle
Konkret auf die vorliegende Anwendung bezogen bedeutet dies: Das zugeführte Erdgas – eine wasserstoffreiche Verbindung – wird von der Brennstoffzelle in Wasserstoff gewandelt. Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft in einer umgekehrten Elektrolyse zu Wasser. Bei der folgenden elektrochemischen Reaktion entstehen Wärme und Strom. Das besondere Funktionsprinzip der Brennstoffzelle und deren spezieller Aufbau verhindern, dass es zu der aus dem Chemieunterricht bekannten Knallgasreaktion oder kleineren Explosionen kommt.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und einer Trennschicht. Dies alleine genügt jedoch noch nicht, um genügend Energie zur Versorgung eines Gebäudes zu erzeugen. Deshalb sind die einzelnen Zellen zu Stapeln (Stacks) zusammengefasst und in Reihe geschaltet. Die jeweiligen Spannungswerte addieren sich, sodass die Energieausbeute für die Anforderungen ausreicht.

In der Praxis müssen Brennstoffzellen-Heizsysteme verschiedene Vorgaben erfüllen, je nach Gebäude und Nutzung. Daraus resultieren Differenzierungen in Aufbau und Funktion. Für die jeweiligen Bedürfnisse stehen Hochtemperatur- oder Niedertemperatur-Brennstoffzellen zur Verfügung, wobei der entscheidende Unterschied in der Betriebstemperatur liegt: Hochtemperatur-Brennstoffzellen bringen effiziente Leistungen bei Betriebstemperaturen von 550 bis 1.100 Grad Celsius, Niedertemperatur-Brennstoffzellen bei unter 100 Grad Celsius.