Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle hat ein deutlich niedrigeres Leistungsgewicht als aktuelle Akkumulatoren.
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im selben Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das „batterisierte“ Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.
Der Aufbau
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff), der dort oxidiert wird. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff), das dort reduziert wird.
Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall bzw. Nickel. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (z.b. Platin) beschichtet, dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht.
Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren dienen.
Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt (für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25°C). Sie ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet.
Anwendungen in Kraftfahrzeugen
Mehrere Automobilfirmen (wie z.b. Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen.
Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet.
Die Herausforderungen der mobilen Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen in der Problematik der Speicherung des hochflüchtigen Wasserstoffs. Drei Alternativen der direkten Wasserstoffspeicherung wurden bisher zur Serienreife entwickelt:
- Druckflaschen
- flüssiger Wasserstoff
- Metallhydrid
Die bereits serienreif verfügbaren Lösungen für kleinere Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren und eine geeignete Lagerung des Wasserstoffes zu ermöglichen. DaimlerChrysler hat mit seinen Fahrzeugen der Mercedes-Benz A-Klasse inzwischen eine praxistaugliche Lösung auch für kleine Fahrzeuge entwickelt.
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