Brandstofcellen zijn electrochemische cellen/installaties die de chemische energie van een brandstof (bv. waterstof) en een oxidator (bv. zuurstof) direct omzetten in electriciteit door middel van een redox reactie. Een redox reactie is een chemische reactie waarbij stoffen met elkaar reageren door de uitwisseling van electronen. Twee termen in deze:

• Oxidatie: het verliezen van electronen of een stijging van de oxidatiegraad van een atoom, ion of molecuul.
• Reductie: het winnen van electronen of een daling van de oxidatiegraad van een atoom, ion of molecuul.

Een waterstof brandstofcel is natuurlijk een van de meest bekende voorbeelden van zo'n cel:
Bedenk bij dit plaatje dat lucht ook zo'n 80% stikstof bevat.

Het belangrijkste voordeel van een brandstofcel boven verbrandingsmotoren/stoomturbines is dat de chemische energie direct in electriciteit wordt omgezet, niet via warmte (Carnot cyclus) als tussenstap. Hoge rendementen zijn in principe mogelijk, maar in de praktijk toch lastig. Het rendement van een normale waterstof brandstofcel is ongeveer 50%. De verliezen zijn natuurlijk in de vorm van warmte.

Brandstofcellen hebben wel een ander voordeel boven een batterij nl. dat zolang als je de brandstof en oxidator blijft toevoeren, de cel het blijft doen.

Het electrolyt (het medium tussen anode en kathode) is bepalend voor de reactie. In de bovenstaande brandstofcel worden protonen door het (meestal zurig) medium verplaatst. In 1959 bedacht Frances Bacon kaliloog (KOH) als (basisch) medium te gebruiken. In het medium gaat het transport dan via hydroxyde (OH^-) ionen. De bijbehorende reacties:

• anode: H₂ + 2OH^- → 2H₂O + 2e^-
• kathode: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

Deze cel, bekend als de alkaline brandstofcel, is met wat wijzigingen veel in de ruimtevaart toegepast. De efficiëntie van deze cel is tegen de 60%. Als je nu met zonnecellen electriciteit opwekt en daarmee water electrolyseert, kun je de resulterende waterstof en zuurstof weer aan deze cel toevoeren. Het water dat door de cel geproduceerd wordt kan weer terug naar de electrolyse. Hiermee krijg je een cyclus die wel verliezen kent in de vorm van warmte, maar geen verliezen in de zin van waterstof en zuurstof.

In principe is elke brandstofcel omkeerbaar. Het probleem is dat dat niet altijd efficiënt kan. De waterstofcel met een 50% rendement bij oxydatie en 66% rendement voor electrolyse is een duidelijk voorbeeld hiervan. Het Arnhemse bedrijf Elestor heeft een omkeerbare brandstofcel ontwikkeld, gebaseerd op waterstofbromide (HBr):

met als bijbehorende reacties:

• H₂ + Br₂ ↔ 2HBr + electrische energie (redox potentiaal 1,098V).

Een van de interessante aspecten van deze brandstofcel is dat zowel broom als waterstofbromide in de electrolyt opgelost worden. Voor de waterstof sluit je extern een tank aan. Bij het leveren van stroom worden waterstof en broom in waterstofbromide omgezet. Bij het opladen net andersom. Het bedrijf claimt een roundtrip efficiency van 80% (of meer) behaald kan worden. Op dit moment is Elestor bezig om modules te ontwikkelen voor energieopslag (50kW capable, 250 kWh opslag). Het membraam dat gebruikt wordt in zo'n module moet na ongeveer 10.000 laad/ontlaad cycli vervangen worden. Het bedrijf claimt dat na nog wat opschaling dat een installatie ter grootte van een zeecontainer ongeveer 2MWh opgeslagen kan worden.