Anders als eine Batterie, die elektrische Energie lediglich speichert, produziert eine Brennstoffzelle den Strom durch chemische Reaktionen selbst. Und anders als in einem Verbrennungsmotor wird die chemische Energie nicht in mechanische Energie umgewandelt, sondern gleich in elektrische Energie.
Das Herz der Brennstoffzelle ist eine Membran, auf der zwei Elektroden aufgebracht sind: Anode und Kathode. Die Membran, auch Elektrolyt genannt, trennt die elektrochemischen Reaktionen an den beiden Elektroden und hat dafür mehrere Anforderungen erfüllen: Sie darf nicht leitend sein, also keine Elektronen durchlassen. Gleichzeitig muss sie positiv geladene Teilchen, die Protonen, passieren lassen. Und: sie sollte eine zuverlässige Barriere für den Brenn- und Sauerstoff bilden.
Da die Membran entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des Gesamtsystems hat, werden die unterschiedlichen Brennstoffzell-Varianten unter anderem anhand des Elektrolyts klassifiziert: Da gibt es die alkalische Brennstoffzelle, die bereits die Nasa im Apollo-Programm verwendete, die Polymermembran-Brennstoffzelle (zu der auch die Direkt-Methanol-Variante gehört), die Phosphorsäure-Brennstoffzelle, die Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle oder die Festoxid-Brennstoffzelle.
Viele Typen
Um die Reaktionen zu starten, wird auf der einen Seite der Membran der Brennstoff geliefert, auf der anderen Seite befindet sich der Sauerstoff, mit dem der Energieträger letztlich reagiert. Das ist bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Methanol, die klassische Brennstoffzelle nutzt hingegen Wasserstoff.
Bei den Direkt-Methanol-Systemen wird Methanol sowie Wasser unmittelbar in die Brennstoffzelle geführt. Auf der einen Seite der Membran, an der Anode, entstehen durch Reaktion die Protonen sowie die negativ geladenen Elektronen. Zudem wird, als Nebenprodukt, Kohlendioxid gebildet.
Da nur die Protonen die Membran passieren, baut sich in der Brennstoffzelle elektrische Spannung auf. Sie löst sich erst dann, wenn die Elektronen über leitfähiges Material auf die andere Seite wandern — nachdem sie beispielsweise ein elektrisches Gerät angetrieben haben. Sind sie an der Kathode angekommen, reagieren sie dort mit den bereits vorhandenen Protonen und dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser.
In der Brennstoffzelle läuft also eine simple Reaktion ab, ähnlich der, die bei der bloßen Verbrennung von Methanol stattfinden würde. Die Reaktionsprodukte — Kohlendioxid und Wasserdampf — sind die gleichen. Doch statt in einer offenen, heißen Flamme mit dem Sauerstoff zu reagieren, sorgt die Membran in der Brennstoffzelle dafür, dass die Reaktion kontrollierter als in einer heißen Verbrennung abläuft. Da bei der Methanolbrennstoffzelle kaum Wärme, sondern direkt elektrischer Strom entsteht, heißt der Vorgang auch kalte Verbrennung.
Die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle ist proportional zur Oberfläche der Membran. Und da die in einer Zelle entstehende Spannung meist recht klein ist, werden die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet um eine größere Spannung zu erzeugen. Diese gekoppelten Einheiten werden auch Stacks (Stapel) genannt.
Legende:Methanol: CH3OH; Wasser: H2O; Kohlendioxid: CO2; Wasserstoff: H; Sauerstoff: O2