Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich gesehen aus zwei durch eine halbdurchlässige Elektrolytschicht (z. B. eine Polymer-Elektrolytmembran) getrennten Reaktionsräumen oder Elektroden. An der einen Elektrode, der Anode, werden dem sog. Brennstoff, etwa Wasserstoffgas (H₂) oder Methan (CH₄), Elektronen entzogen. Dabei entstehen elektrisch positiv geladene Ionen, die durch den Elektrolyten zur anderen Elektrode, der Kathode, gelangen. Die Elektronen werden separat über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet und dort von einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoffgas, O₂) aufgenommen. Die negativ geladenen Ionen des Oxidationsmittels verbinden sich an der Kathode mit den positiven Ionen (bei bestimmten Hochtemperatur-Brennstoffzellen wandern anstelle der Brennstoff-Ionen die negativen Ionen von der Kathode zur Anode und verbinden sich dort mit den Brennstoff-Ionen). Wenn als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird, entsteht dabei als einziges Produkt Wasser (H₂O), mit Kohlenwasserstoffen wie Methan als Brennstoff wird zusätzlich noch Kohlenstoffdioxid (CO₂) frei. Genutzt wird die Bewegungsenergie der von der Anode zur Kathode geleiteten Elektronen, und zwar als elektrischer Strom. Wird der Stromkreis nicht geschlossen, liegt zwischen den Elektroden eine entsprechende elektrische Spannung an, deren Größe für jeden Brennstoffzellentyp charakteristisch ist. Die Brennstoffzellenreaktion ist chemisch gesehen nah verwandt mit einer Verbrennung, etwa der „Knallgasexplosion“ von Wasser- und Sauerstoff. Wegen der räumlichen Trennung von Elektronen- und Ionentransport wird jedoch in der Brennstoffzelle kaum Wärme frei, man spricht deshalb auch von einer „kalten Verbrennung“. Die geringe Wärmeabgabe bedeutet gleichzeitig, dass die Energiewandlung in einer Brennstoffzelle einen sehr hohen Wirkungsgrad η besitzt.