Brennstoffzelle
Im Gegensatz zu Verbrennungskraftmaschinen wird in Brennstoffzellen chemische Energie in einem elektrochemischen Prozess in Elektroenergie umgewandelt. Die elektrochemische Umwandlung ist mit geringen Verlusten behaftet, deshalb sind die Wirkungsgrade zur Stromerzeugung von Brennstoffzellen deutlich höher als bei Verbrennungskraftmaschinen. Verbrennungsmotoren nutzen Carnot-Kreisläufe und sind darüber in ihrem elektrischen Wirkungsgrad physikalisch begrenzt.
Elektrochemisch entspricht der Prozess in Brennstoffzellen der Umkehrung der Wasser-Elektrolyse. Im Grundaufbau besteht eine Brennstoffzelle aus Elektroden, die durch einen Ionenleiter voneinander getrennt sind. Dieser Ionenleiter ist entweder eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran oder ein Elektrolyt oder Beides.
Die Brennstoffzellensysteme sind entsprechend der Membran/Elektrolyt-Zusammensetzung klassifiziert:
Alkalische Brennstoffzelle (AFC), elektrischer Wirkungsgrad 45–60%.
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), elektrischer Wirkungsgrad 35-60%.
Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), elektrischer Wirkungsgrad 38%.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), elektrischer Wirkungsgrad 48%.
Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), elektrischer Wirkungsgrad 47%.
Jede Einzelzelle liefert eine Spannung von 0,5 - 1 V, wobei die Höhe der Spannung vom Zelltyp und Brennstoff abhängt. In der Praxis werden viele Zellen zu einem Stapel (engl. Stack) in Reihe geschaltet.
Die Betriebstemperaturen von 800 - 1000°C in SOFC sind für praktische Anwendungen sehr interessant, da im Betrieb dieser Zellen Prozesswärme bei hohen Temperaturen ausgekoppelt werden kann.
Für mobile Anwendungen kommen PEC und PAFC zum Einsatz.