Das Prinzip der Brennstoffzelle ist relativ einfach und funktioniert wie eine umgekehrte Elektrolyse. Bereits im Frühjahr 1839 entdeckte der Engländer William R. Grove (1811-1896) daß sich aus Wasserstoff und Sauerstoff in einem galvanischen Element elektrischer Strom gewinnen lässt.

Quelle: Verbundnetz Gas AG

In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander kontrolliert zu Wasser. Beide Gase sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt und tauschen nur über einen elektrischen Leiter Elektronen aus. Dieser Elektronenfluß macht die Brennstoffzelle zur Stromquelle, jedoch wird auch die entstehende Wärme genutzt. Als Reaktionsprodukt entsteht reines Wasser, was die Brennstoffzelle so umweltfreundlich macht.

Dieses Grundprinzip der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff gilt für alle sechs Arten von Brennstoffzellen. Die Umsetzung ist jedoch unterschiedlich. In Abhängigkeit vom Elektrolyten werden unterschiedliche Ionen ausgetauscht. Statt des reinen Sauerstoffs wird häufig einfach Luft verwendet. Neben Wasserstoff können Methanol, Erdgas oder Benzin als Brennstoff eingesetzt werden. Erdgas oder Benzin müssen jedoch in einem so genannten Reformer in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden.

Wichtiges Merkmal der verschiedenen Brennstoffzellen ist der Elektrolyt, der die beiden Reaktionspartner trennt und gleichzeitig den Ionenaustausch ermöglicht. Das kann eine Membran sein, die Wasserstoff und Sauerstoff trennt, Wasserstoffionen jedoch passieren lässt. Es gibt auch Elektrolyte aus flüssiger Kalilauge, geschmolzenen Salzen oder aus festen Keramikmaterialien. Neben der Art der ausgetauschten Ionen hängen vom Elektrolyten auch die möglichen Arbeitstemperaturen der verschiedenen Brennstoffzellentypen ab. Diese können zwischen 70 und 1.000 Grad Celsius liegen.

Eine einzelne Brennstoffzelle kann nur eine elektrische Spannung von etwa einem Volt liefern. Um höhere Spannungen zu erzielen, müssen daher viele Zellen in Serie hintereinander geschaltet werden. Ein solcher Zellenstapel wird Stack genannt. Eine Brennstoffzelle zum Antrieb eines Autos beispielsweise besteht aus hunderten einzelner Zellen, die in mehreren Stacks verbunden sind.

Neben der Gesamtleistung ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle wichtig. Er bezeichnet das Verhältnis zwischen eingesetzter und nutzbarer Energie - die Energieausbeute der Brennstoffzelle. Der elektrische Wirkungsgrad steht dabei für die nutzbare elektrische Energie, der Gesamtwirkungsgrad hingegen für die genutzte Gesamtenergie. Da in den meisten Brennstoffzellensystemen Strom und Wärme gleichzeitig genutzt werden, kann der Gesamtwirkungsgrad wie bei anderen KWK-Techniken bis zu 90 Prozent betragen. Die elektrischen Wirkungsgrade eines Brennstoffzellenstacks bewegen sich je nach Typ und Leistungsgröße zwischen 35 bis 55 Prozent. Bei Kombination von Hochtemperaturbrennstoffzellen und Gasturbinen können sogar elektrische Wirkungsgrade von bis zu 70 Prozent erreichbar werden.

im Oktober 2001 wurde von mehreren Energieversorgern die "Inititiative Brennstoffzelle" gegründet. Diese Initiative soll die verschiedenen Brennstoffzellen-Aktivitäten von Herstellern, Versorgungsunternehmen und Instituten bündeln und begleiten, sowie die Markteinführung der Brennstoffzelle vorbereiten. Auf der Website finden sich u.a. weitere Erläuterungen zur Technik der einzelnen Arten von Brennstoffzellen.