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Brennstoffzellen

Wie bei Batterien und Akkumulatoren auch, wird in Brennstoffzellen chemisch gespeicherte Energie direkt, d.h. ohne den Umweg über einen Wärmekreislauf, in elektrische Energie umgewandelt. Anders jedoch als bei den erstgenannten Energiespeichern, unterliegen die typischen Zellkomponenten einer Brennstoffzelle (z.B. Elektroden, Elektrolyt) im Idealfall weder Abnutzung noch Verbrauch, und der eigentliche Energieträger kann als sich verbrauchender 'Brennstoff' nach Bedarf neu zugeführt werden. Man könnte also in gewisser Weise von aktivierbaren Batterien sprechen, die beliebig oft aufgetankt werden können.

Die chemische Reaktion, auf der Brennstoffzellen basieren, ist in ihrer reinsten Form die Verbrennung von Wasserstoff in Sauerstoff. Es handelt sich also um die Umkehrung der Elektrolyse von Wasser. Das Verbrennungsprodukt dieser auch "kalte Verbrennung" genannten Reaktion ist reines Wasser bzw. Wasserdampf:

Das Grundprinzip der Batterie, d.h. der räumlich getrennte Ablauf der Reaktionskomponenten und der Ladungsausgleich durch getrennte Elektronen- und Ionenleiter, gilt auch für Brennstoffzellen.

Theorie und Praxis

Die theoretisch erzielbaren Kennwerte der Brennstoffzelle (z.B. Energiedichte, Wirkungsgrad) sind außerordentlich günstig. Hinzu kommt, dass das Abfallprodukt der Wasserstoffverbrennung - reines Wasser - ökologisch völlig unbedenklich ist. In der Praxis stellen jedoch die Speicherung, der Transport und die Handhabung besonders des aggressiven Wasserstoffs vor enorme und nur sehr aufwändig zu lösende Probleme. Um diese zu umgehen, wurde das Prinzip der Brennstoffzelle vielfältig abgewandelt: Statt Sauerstoff kann Luft Verwendung finden, statt Wasserstoff können beispielsweise Methanol, Methan oder Erdgas eingesetzt werden, jedoch wird dies im Allgemeinen durch abnehmende Wirkungsgrade oder deutlich komplexere Zellkonstruktionen mit zunehmender Verschleißanfälligkeit erkauft. So kommt es, dass erste experimentelle Brennstoffzellen zwar schon Mitte des 19. Jahrhunderts gebaut wurden, sie ihre Leistungsfähigkeit in vielen anspruchsvollen Anwendungen, wie zum Beispiel der Raumfahrt, unter Beweis gestellt haben, aber bis heute wirtschaftliche Anwendungen äußerst rar sind - trotz regelmäßiger, laut tönender Presseerklärungen, die das Gegenteil versprechen.

Brennstoffzellentypen

Die in der Erforschung, Erprobung oder Praxis befindlichen Brennstoffzellen können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. Je nach Temperaturbereich, in dem die Zellen arbeiten, unterscheidet man Niedertemperatur- (bis ca. 100°C), Mitteltemperatur- (ca. 100 bis ca. 600°C) und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (ca. 600 bis 1.000°C). Als nur drei von vielen unterschiedlichen Typen sind beispielweise die bereits für die Gemini-Raumfahrtmission verwendeten PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) zu nennen, in denen bei Raumtemperatur Wasserstoff verbrannt wird, die ebenfalls im Niedertemperaturbereich angesiedelte DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), in der Methanol als Brennstoff dient, oder die nur für den stationären Einsatz geeignete Hochtemperaturzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), für die Erdgas und andere gasförmige Kohlenwasserstoffe als Brenngas dienen können. DBFC steht für 'Direct Borohydride Fuel Cell', eine moderne Brennstoffzelle auf Natrium-Bor-Hydrid-Basis mit einer Energiedichte bis ca. 400 Wh/kg.