Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade und geringen Emissionen zählen Brennstoffzellen neben wiederaufladbaren Batterien zu den wichtigsten Stromquellen der Energiewende. Betreibt man sie mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff, entsteht als Abgas ausschließlich Wasserdampf. Der Preis von Brennstoffzellen stellt je­doch einen der Hauptgründe für die zö­gerliche Verbreitung der Technologie dar. Deshalb setzen Fahrzeughersteller lieber auf batteriebetriebene Fahrzeuge. Auch Brennstoffzellenheizungen spielen we­gen der hohen Kosten noch eine geringe Rolle. Das würde sich ändern, wenn es gelänge, leistungsstarke Brennstoffzellen herzustellen, die ohne teure Edelmetalle als Katalysatoren auskämen.

Große Hoffnungen werden in sogenannte alkalische Brennstoffzellen gesetzt. Sie benötigen keine Edelmetalle, hinken aber bis heute in puncto Leistung und Le­bensdauer den weit verbreiteten PEM-Brennstoffzellen hinterher. Jetzt hat eine Forschungsgruppe von der Cornell University in Ithaca aber eine stabile alkalische Brennstoffzelle mit einem nickelbasierten Katalysator gebaut. Gelingt die Weiterentwicklung, könnte diese Stromquelle zum Durchbruch der Technologie beitragen.

Sämtliche Brennstoffzellentypen arbeiten nach dem gleichen Prinzip

Sie erzeugen elektrischen Strom und Wärme da­durch, dass Wasserstoff und Sauerstoff in einer gezähmten Knallgasreaktion zu Wasser reagieren. Die häufigste Bauart stellen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen dar, die einen Wirkungsgrad von 40 bis 50 Prozent erreichen. PEM steht für Polymerelektrolytmembran und bezeichnet die Nafion-Membran, die als Elektrolyt dient.

An der Anode der Brennstoffzelle oxidieren Wasserstoffmoleküle zu positiv ge­ladenen Wasserstoffionen (Protonen), sie geben also ein Elektron ab. Die be­feuchtete Nafion-Membran lässt die Protonen, aber nicht die Elektronen durch. Letztere gelangen über einen externen Stromkreis zur Kathode und liefern die elektrische Leistung. An der Kathode re­agieren Sauerstoffmoleküle, Elektronen und positive Wasserstoffionen zu Wasser. Sowohl hier als auch in der Anode dient Platin als Katalysator und beschleunigt so die Reaktionen. 30 bis 50 Gramm Platin stecken in einer PEM-Brennstoffzelle und machen rund 40 Prozent der Herstellungskosten aus. Auch Phosphorsäure-Brennstoffzellen, die hochkonzentrierte Phosphorsäure als Elektrolyt nutzen, be­nötigen das teure Edelmetall.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen lösen scheinbar dieses Problem, da sie bei Temperaturen von mehr als 600 Grad arbeiten, was teure Katalysatoren überflüssig macht. Allerdings erweist sich gerade die hohe Betriebstemperatur als problematisch, weil sie die Lebensdauer begrenzt und für lange Anlaufzeiten sorgt. Alkalische Brennstoffzellen verwenden dagegen eine basische Kalilauge als Elektrolyten und günstige Metalle wie Nickel als Katalysatoren, was die Herstellungskosten senkt. Gleichzeitig liegt ihre Betriebstemperatur meist unter 100 Grad.

Bereits in den Dreißigerjahren des vergangenen Jahrhunderts baute Francis Thomas Bacon in der University of Cambridge die ersten alkalischen Brennstoffzellen. In den Sechzigerjahren fand die Technologie zum ersten Mal eine praktische Anwendung in der astronautischen Raumfahrt, unter anderem kamen alkalische Brennstoffzellen im Apollo- und Space-Shuttle-Programm der NASA zum Einsatz. Allerdings benötigen sie als Kathodengas reinen Sauerstoff, was den technischen Aufwand erhöht. Trotz ihrer Vorteile bleibt ihr Einsatzbereich daher nach wie vor hauptsächlich auf die Raumfahrt und auf U-Boot-Antriebe begrenzt. Das könnte sich bald än­dern. Auch in einer alkalischen Brennstoffzelle oxidiert an der Anode Wasserstoff, gleichzeitig werden an der Kathode Sauerstoffmoleküle und das Wasser im Elektrolyten zu Hydroxidionen (OH–) reduziert. Diese wandern zur Anode und vereinen sich mit den Wasserstoffionen zu Wasser.