Eine PEM-Brennstoffzelle erzeugt aus chemischer Energie elektrischen Strom. Ein Katalysator bringt dabei Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion, wobei aus den beiden Energieträgern über den elektrischen Anschluss nutzbare Energie entsteht. Wir erklären Aufbau, Funktion, Wirkungsgrad und Einsatzgebiete dieser Technik.

Wo wird die Technik eingesetzt?

PEM-Brennstoffzellen finden sich in Fahrzeugen sowie als kombinierte Wärme- und Stromerzeuger in Gebäuden. Zur Leistungsanpassung lassen sie sich in Reihe zu einem sogenannten Stack schalten, und bei gleicher Baugröße übertreffen sie die Leistung klassischer Batterien. Die größte technische Herausforderung ist die Bereitstellung von ausreichend reinem Wasserstoff, da Verunreinigungen die empfindliche Membran schädigen können. Die Abkürzung PEM steht für Proton Exchange Membrane beziehungsweise Polymer-Elektrolyt-Membran, da bei der Reaktion Protonen durch eine Membran wandern.

Aufbau und Funktionsweise

Im Zentrum der PEM-Brennstoffzelle liegt die Membran in Plattenform, auf der beidseitig eine Anode und eine Kathode angebracht sind. Die Anode wird mit Wasserstoff versorgt, die Kathode mit Luft. An der Anode gibt der Wasserstoff mithilfe eines Katalysators aus einem Edelmetall, meist Platin, seine Elektronen ab. Bei dieser Oxidation entstehen Protonen, die durch die Membran zur Kathode wandern, während die Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen und so den nutzbaren Strom liefern. Auf der Kathodenseite reagieren Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser. Die elektrische Energie wird über den Zusammenschluss von Anode und Kathode abgenommen, als Nebenprodukte fallen Wärme und reines Wasser an.

Physikalisches Verhalten und Wirkungsgrade

PEM-Brennstoffzellen zählen zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen mit Betriebstemperaturen zwischen etwa zehn und hundert Grad Celsius, im praktischen Betrieb meist rund siebzig bis achtzig Grad Celsius. Der elektrische Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen eingesetzter chemischer Energie und nutzbarem Strom, liegt grob zwischen 35 und 60 Prozent. Wird die anfallende Wärme in einer Kraft-Wärme-Kopplung mitgenutzt, steigt der Gesamtnutzungsgrad deutlich. Kühlung und Strömungsverluste senken den Wirkungsgrad vor allem bei in Reihe geschalteten Zellen. Der Leistungsbedarf wird über die Größe der einzelnen Zelle und die Zahl der zusammengeschalteten Zellen im Stack bestimmt, wobei größere Elektrodenflächen mehr Leistung je Zelle bedeuten.

Marktangebot und Hersteller

Wird eine bestimmte Leistung benötigt, wird ein entsprechend ausgelegter Stack genutzt, der sich technisch drosseln lässt. Am Markt sind verschiedene Hersteller von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen aktiv, in Deutschland ist eine Reihe von Anbietern und Produzenten vertreten. Für die Wärmeversorgung von Gebäuden setzen viele Anbieter allerdings auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Festoxidtechnik, die sogenannten SOFC-Brennstoffzellen. Deren Betriebstemperaturen liegen zwischen rund 600 und 1.000 Grad Celsius, und sie sind toleranter gegenüber Verunreinigungen des eingesetzten Brenngases als PEM-Zellen, was sie für den Dauerbetrieb im Heizungskeller attraktiv macht.

Brennstoffzellenheizung und Förderung

Als Heizung erzeugt eine Brennstoffzelle gleichzeitig Strom und Wärme und arbeitet damit nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Für Brennstoffzellenheizungen ist eine staatliche Förderung möglich: Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude lässt sich der Einbau bezuschussen, sofern die Voraussetzungen erfüllt sind und der Antrag vor der Auftragsvergabe gestellt wird. Zu bedenken ist, dass die meisten Brennstoffzellenheizungen heute noch mit Erdgas betrieben werden, aus dem der benötigte Wasserstoff vor Ort gewonnen wird. Langfristig soll grüner Wasserstoff eine klimafreundlichere Versorgung ermöglichen, dessen Verfügbarkeit und Preis derzeit jedoch noch begrenzt sind.

Im Vergleich zu anderen Heiztechniken punktet die Brennstoffzellenheizung damit, dass sie einen Teil des benötigten Stroms selbst erzeugt und diesen im Haushalt nutzt, was die Stromrechnung senkt. Sie eignet sich vor allem für Gebäude mit einem kontinuierlichen Grundbedarf an Wärme und Strom, da sie am wirtschaftlichsten läuft, wenn sie viele Betriebsstunden erreicht. In gut gedämmten Neubauten mit geringem Wärmebedarf ist der Nutzen dagegen begrenzter, weshalb sich vor der Anschaffung eine genaue Wirtschaftlichkeitsbetrachtung lohnt.

Ein weiterer Aspekt ist die Wartung, denn wie jede Heizung benötigt auch eine Brennstoffzellenheizung eine regelmäßige fachmännische Überprüfung, um zuverlässig und effizient zu arbeiten. Die Technik gilt als vergleichsweise wartungsarm, dennoch sollten die Serviceintervalle des Herstellers eingehalten werden. Da es sich um eine noch relativ junge Technik handelt, ist zudem ein Fachbetrieb mit entsprechender Erfahrung wichtig, der die Anlage fachgerecht installiert und in das bestehende Heizsystem einbindet.

Nicht zuletzt spielt die Einbindung eines Wärmespeichers eine wichtige Rolle, da die Brennstoffzelle idealerweise gleichmäßig durchläuft und die erzeugte Wärme zwischengespeichert wird. So lassen sich Wärmebedarf und Erzeugung entkoppeln, was die Laufzeit und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht. Ergänzend kann die Anlage mit einem Spitzenlastkessel kombiniert werden, der an sehr kalten Tagen die zusätzliche Wärme bereitstellt, während die Brennstoffzelle die Grundlast abdeckt.

Fazit

Zusammengefasst ist die PEM-Brennstoffzelle eine ausgereifte Technik, die die chemische Energie von Wasserstoff über eine Protonen-Austausch-Membran direkt in Strom umwandelt und dabei Wärme und Wasser als Nebenprodukte erzeugt. Sie arbeitet bei niedrigen Temperaturen, erreicht einen ordentlichen elektrischen Wirkungsgrad und lässt sich flexibel zu größeren Einheiten kombinieren. Im Gebäude konkurriert sie mit der robusteren SOFC-Technik, die weniger empfindlich auf Verunreinigungen reagiert. Für Brennstoffzellenheizungen als Form der Kraft-Wärme-Kopplung ist eine staatliche Förderung möglich. Entscheidend für die künftige Bedeutung der Technik ist die Verfügbarkeit von bezahlbarem, klimafreundlich erzeugtem Wasserstoff.