Brennstoffzellen (BZ oder BSZ), Fuel Cell ( FC), erzeugen aus Wasserstoff und Sauerstoff auf direktem Weg elektrische Energie, ohne den verlustreichen Umweg über die thermische Verbrennung.
Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Ionenleiter. Bei den Elektroden handelt es sich um Metallplatten, die als Katalysator arbeiten und mit Platin oder Palladium beschichtet sind. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, das als Membran ausgeführt sein kann und für den Ionenaustausch sorgt. Der Elektrolyt kann ein Dielektrikum sein, eine Säure, Lauge oder eine polymere Membran. Polymermembrane ( PEM) oder Protonenmembrane (PEM) können von den Protonen durchdrungen werden und können die Membran von der Anode zur Kathode passieren. Für Gase sind die Membrane relativ undurchlässig.
Die Anode der Brennstoffzelle wird vom Wasserstoff (H2) oder einer wasserstoffhaltigen Verbindung wie Methan oder Methanol umströmt. An ihr findet die Oxidation statt, es bilden sich Wasserstoffionen (Protonen). Die Wasserstoffionen wandern durch den Ionenleiter und reagieren an der Kathode mit dem Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O). Das Reduktionsergebnis ist reines Wasser. Diese Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen sind am weitesten entwickelt und können in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.
Die Energieerzeugung einer Brennstoffzelle setzt ein, sobald der Anode Wasserstoff zugeführt wird. Den Eigenschaften und dem Aufbau des Ionenleiters kommt eine besondere Bedeutung zu. Brennstoffzellen werden nach der Membran-Technologie bezeichnet. So gibt es die PEM-Brennstoffzelle, die mit einer Proton Exchange Membrane (PEM) arbeitet. Sie wird auch als Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) bezeichnet. Daneben gibt es die Festoxid-Brennstoffzelle ( SOFC), die alkalische Brennstoffzelle ( AFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle ( DMFC), die Phosphorsäure-Brennstoffzelle ( PAFC) und die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ( MCFC). Von der Arbeitstemperatur her können Brennstoffzellen in die Gruppen Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Mitteltemperatur-Brennstoffzellen und Niedertemperatur-Brennstoffzellen eingeteilt werden.
Kennwerte von Brennstoffzellen
Die von Brennstoffzellen erzeugten theoretischen Spannungen liegen ohne Belastung bei 1,23 V. In der Praxis liegen die Zellenspannungen zwischen 0,5 V und 1 V. Höhere Spannungen und Leistungen können durch das Hintereinanderschalten von mehreren Brennstoffzellen erreicht werden. Ein solcher Brennstoffzellenstapel wird als Stack bezeichnet. Die Gesamtspannung eines Stacks ergibt sich aus der Summe der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen. Die Gesamtspannung kann an den beiden Endplatten des Stacks abgegriffen werden.
Brennstoffzellen eignen sich als Energiespeicher, sie haben mit 100 Wh/kg bis 1.000 Wh/kg eine vielfach höhere Energiedichte als Akkus. Dagegen ist die Leistungsdichte mit 2 W/kg bis 200 W/kg geringer als die von Akkus oder Superkondensatoren. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen liegt je nach Brennstoggzellentyp bei bis zu 70 %.
Brennstoffzellen werden in Notstromaggregaten, in USV-Systemen und in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, zur Energieversorgung und elektrischen Energiespeicherung eingesetzt. In miniaturisierter Größe werden Mikrobrennstoffzellen auch als Mikrogeneratoren für die Versorgung von Kleinstsystemen und -komponenten eingesetzt.