Brennstoffzellen wandeln auf dem wohl elegantesten Weg energiehaltige Brennstoffe in elektrischen Strom um – ohne den Ausstoß von CO2 oder anderen Abgasen, wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird. Bereits 1838 gelang dem deutsch-schweizerischen Chemiker Christian Friedrich Schönbein mit zwei Platindrähten das erste Mal, aus Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische Spannung aufzubauen. Seitdem sind zahlreiche Brennstoffzellentypen bis zur Marktreife entwickelt worden. Welches gemeinsame Prinzip liegt ihnen zugrunde?

Wenn Wasserstoff und Sauerstoff sich begegnen

Wie bei einer heftigen Knallgasexplosion reagieren in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff miteinander. Nur läuft dieser Prozess langsam und kontrolliert ab. Dazu sind zwei von einer Membran getrennte Teilbereiche essentiell wichtig. In dem einen strömt Wasserstoff, in dem anderen Sauerstoff. Um sich zu Wasser zu vereinen, trennen sich die Wasserstoffmoleküle auf, streifen ihre Elektronen ab und wandern durch die Membran zum Sauerstoff in der anderen Halbzelle. Durch den Überschuss an Elektronen auf der Wasserstoffseite wird eine Elektrode negativ aufgeladen. Auf der Sauerstoffseite dagegen werden Elektronen von einer zweiten Elektrode abgegriffen, so dass ein Ladungsgefälle entsteht und Gleichstrom fließt.

Fliegen mit der Brennstoffzelle

Mittlerweile können Brennstoffzellen nicht nur mit Wasserstoff, sondern auch mit Methanol oder – mit Hilfe eines so genannten Reformers - mit Kerosin, Flüssig- oder Erdgas betrieben werden. Zwar ist wegen hoher Kosten der Komponenten die Brennstoffzelle noch nicht massenhaft verbreitet, doch erobert sie sich immer mehr Nischenmärkte. Sinnvoll ist der Einsatz der Brennstoffzelle auch in der Luftfahrt: "Wir können mit Brennstoffzellen Strom für die Bordelektrik eines Flugzeuges erzeugen und so das Hilfstriebwerk (Auxiliary Power Unit, APU), mit dem Strom im Flugzeug erzeugt wird, ersetzen", sagt Professor Andreas Friedrich, Abteilungsleiter Elektrochemische Energietechnik am DLR-Institut für Technische Thermodynamik, Elektrochemische Energietechnik in Stuttgart. Weit entwickelte Polymerbrennstoffzellen erzeugen im Jet aus reinem Wasserstoff genug Strom, um alle Instrumente an Bord sowie das Klimasystem zu versorgen oder die Haupttriebwerke zu starten.

Tolle Nebenwirkungen

Die Brennstoffzelle kann an Bord eines Flugzeuges nicht nur den notwendigen Strom effizient erzeugen, sie hat noch weitere Vorteile: Bei einem innereuropäischen Flug entstehen 200 bis 400 Liter Wasser, die an Bord genutzt werden können. Weniger Wasser muss daher getankt werden, das Startgewicht des Fliegers sinkt. Außerdem erhöht die Brennstoffzelle die Sicherheit an Bord: Abgereicherter Sauerstoff kann nach dem Durchfluss durch die Brennstoffzellen in die Kerosintanks geleitet werden. Durch den geringen Sauerstoffanteil wird das Entflammen des Treibstoffs verhindert und die Flugsicherheit weiter erhöht.

Wie viele weitere DLR-Forscher arbeiten weltweit zahlreiche Experten an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle. Es gilt, die Langlebigkeit weiter zu erhöhen und zugleich die Kosten zu senken. Ein Prozess, der zwar langsam, dafür aber stetig die Basis für den weiteren Erfolg der Brennstoffzelle legt.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Wissenschaftsjahr 2010 unter das Motto "Die Zukunft der Energie" gestellt. Aus diesem Anlass beantwortet der Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken in diesem Jahr jede Woche eine Frage zum Thema Energie im DLR Blog. Habt ihr Fragen, wie unsere Energieversorgung in Zukunft aussehen könnte? Oder wollt ihr wissen, wie beispielsweise ein Wellenkraftwerk funktioniert und wie effizient damit Strom erzeugt werden kann? Dann schickt eure Fragen per E-Mail. Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken recherchiert die Antworten und veröffentlicht sie jede Woche in diesem Blog.