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Was ist eine Brennstoffzelle ?
Die Brennstoffzelle ist eine technische Apparatur, welche Energie von einer Form in eine andere nutzbare Energieform überführt. Sie wird aus diesem Grund auch als Energiewandler bezeichnet. Im Zusammenhang mit der Erzeugung elektrischer Energie spielt die Brennstoffzelle eine wichtige Rolle. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, wobei dies über unterschiedliche chemische Prozesse erfolgt. So kann eine Brennstoffzelle genutzt werden, um eine Umformung von verschiedenen Energiearten mit relativ hohem Wirkungsgrad zu erzielen, da eine 100 % Überführung der Energie zunächst in Wärme und dann in Kraft ( wie z.B. in einem konventionellen Kohle- oder Erdgaskraftwerk ) nicht notwendig ist. Damit gehört die Brennstoffzelle zu den höchst wirtschaftlichen technischen Errungenschaften der Energieerzeugung und wird als Stromlieferant für die Zukunft zunehmend bedeutsamer. Innerhalb der Kategorie der Brennstoffzellen werden unterschiedliche Zellentypen hergestellt und verwendet, welche jedoch in ihrer Funktionsweise gleichsam auf demselben Prinzip basieren.

Aufbau einer Brennstoffzelle
Bereits 1838 wurde von Christian Friedrich Schönbein die erste Brennstoffzelle entwickelt. Schönbein tauchte 2 Platindrähte in Salzsäure und umspülte die Drähte mit Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei stellte er zwischen den Drähten eine elektrische Spannung fest. In weiteren Versuchen erkannte er, dass es sich bei diesem physikalischen Phänomen praktisch um die Umkehrung der Elektrolyse handelt. Die Brennstoffzelle von heute beinhaltet im Gehäuse zunächst zwei Elektroden, welche auch als Katode und Anode in Abhängigkeit von deren Polladung bezeichnet werden. Zwischen den sowohl negativ als auch positiv geladenen Segmenten wird ein Elektrolyt gefüllt, welches die Basis für den Transport und damit den Austausch von Ionen und Elektronen darstellt. Die entgegengesetzt geladenen Teilchen werden über einen entsprechenden Stromkreis in das Elektrolyt eingebracht. Ein Elektrolyt ist eine flüssige Substanz, welche sich durch deren chemische Eigenschaften und den speziellen physikalischen Merkmalen eignet, um unterschiedlich geladene Teilchen zu transportieren. Da verschiedene Elektrolytmedien für diese Funktion genutzt werden können, weichen die Brennstoffzellen in den jeweiligen Elektrolytarten voneinander ab. Dies begründet wiederum die speziellen Anwendungsbereiche und Bautypen der Brennstoffzellen. In einigen Modellen werden keine Elektrolyte sondern sogenannte Membranen verwendet. Sowohl Membranen als auch die Elektrolyte stellen eine Grenze zwischen den integrierten Elektroden dar.

Funktionsweise der Brennstoffzelle
Die Funktion der Brennstoffzelle beruht auf der optimalen Kombination zwischen elektrischem Strom und chemischen Substanzen. Aus diesem Grund wird eine Brennstoffzelle auch als galvanischer Energielieferant bezeichnet. Die zentrale Baueinheit der Brennstoffzelle, die sogenannte Membran-Elektroden Einheit ist verantwortlich für die Steuerung der ablaufenden elektrochemischen oder galvanischen Reaktionen. Während dieser Prozesse erfolgt eine Separierung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff.

Beide chemischen Elemente, Wasserstoff und Sauerstoff unterscheiden sich durch deren abweichende elektrische Ladungen. Dies bewirkt im Endresultat, dass sich auf Grund der Gegensätzlichkeit der Ladungen eine Anziehung zwischen den jeweiligen Ladungsträgern entwickelt. Die eingesetzte Membran im Inneren der Brennstoffzelle ist durch eine halbdurchlässige Beschaffenheit gekennzeichnet. Diese Gegebenheit ermöglicht es ausschließlich Protonen, den positiven Ladungsträgern, die Wand zu passieren. Negative Ladungen des Wasserstoffs werden an der Anode aufgefangen. An der positiv geladenen Katode wird demgegenüber eine positive Ladung durch die Sauerstoffatome aufgebaut. Wenn diese beiden Ladungen durch eine spezielle Verbindung in Kontakt gebracht werden, dann entsteht ein elektrischer Stromfluss.

Chemische Bestandteile der Brennstoffzelle
Zu den chemischen Elementen, welche im Inneren einer Brennstoffzelle für deren Funktionstüchtigkeit sorgen, gehören zunächst Wasserstoff und Sauerstoff. Daneben wird auch Kohlegas und Methanol verwendet. Im Unterschied zu Wasserstoff, Methanol, Kohlegas und Methan wird Sauerstoff ausschließlich als Gas für die Katode eingesetzt.
Zu den verwendeten Elektrolyten gehören zum Beispiel Kaliumhydroxid, Phosphorsäure und Alkali Carbonat. Eine spezielle innovative Variante ist ein Elektrolyt aus Oxidkeramik.
Für die technische Umsetzung von Membranen werden meist Polymere bevorzugt. Dies sind chemische Verbindungen, welche aus mehrkettigen und verzweigten Molekülstrukturen bestehen.

Neuartige Einsatzbereiche der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen werden in vielen Einsatzbereichen verwendet. Dabei kann zwischen den sogenannten festen und den mobilen Anwendungsbereichen unterschieden werden. Zum Teil werden Brennstoffzellen dafür verwendet, um stationäre Einrichtungen oder Hallenbäder im kleinen oder mittleren Umfang mit Energie in Form von Wärme zu versorgen. Sie eignen sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistungsfähigkeit und der Bauart auch für die effiziente Nutzung im Bereich privater Wohnräume bei der Versorgung von Häusern. Besonders interessant ist die Verwendung von Brennstoffzellen in Automobilen. In diesem Zusammenhang soll es möglich sein, eine Kraftstoff- oder Energieversorgung der Fahrzeuge umweltgerecht über Brennstoffzellen zu realisieren. Umfangreiche Forschungen zielen darauf, dass insbesondere Diesel und Benzin durch Wasserstoff als Energieträger verdrängt werden. Etliche Autofirmen arbeiten seit teilweise mehr als 20 Jahren an der Wasserstoff/ Brennstoffzellentechnologie. BMW geht hier derzeit noch einen etwas anderen Weg. Beim 7er mit Wasserstoffantrieb wird der Wasserstoff direkt dem Verbrennungsmotor zugeführt, es gibt aber auch eine kleine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung des Automobils. Hintergrund dieser Anwendung ist, den sehr schnell aus dem Tank diffundierenden Wasserstoff nicht nutzlos in die Atmosphäre entweichen zu lassen, sondern das abdampfende Gas mit Hilfe der kleinen Brennstoffzelle zur Stromgewinnung zu nutzen.