Praktische Anwendungen von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen

Wichtige Erkenntnisse

• PEM fuel cells have moved from research to validated engineering use in road transport, rail, and marine power. Passenger and heavy‑duty vehicles prioritize power density and fast refueling; rail emphasizes modular, reliable power on non‑electrified routes; marine systems focus on low local emissions and safe integration.Fortschritt+1

• The right use case for PEMFC is defined by duty cycle, not efficiency alone. Applications with long range, high daily utilization, short refueling windows, or packaging/mass limits for batteries favor PEMFC; short‑trip, charging‑rich scenarios favor battery‑electric.

• Vehicle deployment tracks hydrogen infrastructure. By end‑2023 there were >82,000 fuel cell vehicles and 930 hydrogen refueling stations globally; regional station density strongly influences fleet feasibility and operating economics.Fortschritt+1

• Rail and marine pilots are now in operational service. Alstom’s hydrogen trains have completed passenger service and multi‑thousand‑kilometer trials; CRRC’s hydrogen smart tram delivers >200 km per refuel. Marine projects have progressed from 48 kW passenger vessels to MW‑class integrated solutions under development.

• Commercial limits are system‑level, not stack‑level. Reliable hydrogen supply and cost, balance‑of‑plant complexity, durability under different load profiles (catalyst, membrane, bipolar plates, seals), and environmental factors (cold start, corrosion) determine practicality.

• Bipolar plates are a key lever for stack reliability. Because they govern electrical conduction, gas distribution, heat transfer, water management, and stack compression, plate material, flow‑field geometry, tolerances, and coatings directly affect long‑term performance.

• Hybrid architectures balance continuous energy and transient power. A PEM fuel cell can provide sustained energy while a battery handles peak loads, regenerative braking, and short‑term load changes; the optimal architecture depends on the operating profile.

Seit der Entwicklung der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) in den 1950er Jahren haben Wissenschaftler weltweit unermüdlich an dieser Technologie geforscht. Dies führte zu bedeutenden Fortschritten hinsichtlich Leistung, Lebensdauer und Kosten und ermöglichte ihren breiten Einsatz in Bereichen wie Transport, mobile Stromversorgung und dezentrale Energieerzeugung, wodurch die Kommerzialisierung der PEMFC schrittweise vorangetrieben wurde.

Laut einem Bericht von GLOBE NEWSWIRE (Market.us) vom 9. Januar 2024 erreichte der Markt für Wasserstoffproduktion im Jahr 2023 ein Volumen von 177 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2033 auf 489.2 Milliarden US-Dollar anwachsen. Von 2024 bis 2033 wird für diesen Markt die höchste durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 10.7 % erwartet. Der Begriff „Wasserstoffmarkt“ umfasst hier Branchen, die sich mit der Produktion, Speicherung und dem Vertrieb von Wasserstoff befassen.

Hydrogen has potential in clean energy, especially when used as a fuel for fuel cells and as a raw material in industrial processes, which can reduce greenhouse gas emissions. Therefore, the demand for hydrogen has been increasing. Among different fuel cell technologies, Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen combine relatively low operating temperature, compact stack architecture, and high power density, making them suitable for many mobility and distributed-power applications. Next, we will introduce the practical applications of proton exchange membrane fuel cells in fuel cell vehicles, rail transit, and marine power.

Why PEM Fuel Cells Fit Certain Applications

PEM fuel cells are not equally suitable for every electrification scenario. Their strongest applications are usually those where power density, operating range, fast energy replenishment, compact system design, and low local emissions are important at the same time.

Compared with combustion-based power systems, PEMFCs generate electricity electrochemically and can operate with low local emissions when supplied with hydrogen. According to the U.S. Department of Energy, PEM fuel cells operate at relatively low temperatures and can start quickly, which is one reason they are particularly suitable for transportation applications such as cars, buses, and heavy-duty trucks.

The value of PEM fuel cells becomes clearer when application requirements are considered rather than looking at fuel cell efficiency alone.

This means that PEMFC selection should begin with the operating duty cycle. A passenger vehicle, a long-haul truck, a ship, and a backup-power system may all use PEM fuel cells, but they impose very different requirements on the stack.

Those differences affect component design as well. Automotive systems tend to prioritize thin and lightweight Brennstoffzellen-Bipolarplatten, compact packaging, rapid transient response, and low electrical resistance. Heavy-duty and stationary systems may place greater emphasis on long-term durability, corrosion resistance, stable compression, and consistent performance over extended operating periods.

For this reason, PEM fuel cell applications should be evaluated as engineering use cases rather than as a simple list of markets.

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV)

Bereits 1966 entwickelte General Motors das weltweit erste Brennstoffzellen-Straßenfahrzeug, den Chevrolet Electrovan. Dieses Fahrzeug nutzte eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) als Energiequelle und erreichte eine Leistung von 5 kW, eine Reichweite von 193 km und eine Höchstgeschwindigkeit von 113 km/h.

In der Folge investierten Länder wie die Vereinigten Staaten, die Europäische Union, Japan, Südkorea und China erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen in die Förderung der Brennstoffzellenforschung. Unternehmen wie General Motors, Ford, Toyota, Honda und Mercedes-Benz entwickelten sukzessive Brennstoffzellenfahrzeuge. Zum Beispiel:

General Motors (GM): Entwickelte ein Brennstoffzellenfahrzeug auf Basis der Equinox SUV-Plattform, das 2007 vorgestellt wurde und hauptsächlich für Demonstrations- und Testprojekte eingesetzt wurde.

Ford: Entwickelte ein Brennstoffzellenfahrzeug auf Basis des Ford Focus, das Anfang der 2000er Jahre getestet und in Demonstrationsprojekten eingesetzt wurde.

Toyota: 2014 brachte Toyota das weltweit erste in Serie gefertigte und kommerziell erhältliche Brennstoffzellenfahrzeug auf den Markt. Die zweite Generation des Mirai, die 2021 erschien, zeichnet sich durch höhere Leistung und eine größere Reichweite aus.

Honda brachte 2008 ein Brennstoffzellenfahrzeug auf den Markt und war damit der erste Hersteller, der es Privatkunden im Leasing anbot. Das 2015 erschienene Modell der dritten Generation wies Verbesserungen in Reichweite und Technologie auf.

Führende Automobilhersteller haben im Bereich der Brennstoffzellenfahrzeuge bedeutende Fortschritte erzielt und eine Reihe innovativer Modelle auf den Markt gebracht. Diese Modelle repräsentieren nicht nur die Entwicklungsrichtung der Brennstoffzellentechnologie, sondern legen auch den Grundstein für deren Markteinführung.

Um den aktuellen Stand in diesem Bereich besser zu verstehen, werfen wir einen Blick auf die neuesten Daten. Ende 2023 überstieg die Gesamtzahl der Brennstoffzellenfahrzeuge 82,000, ein Anstieg von 21.4 % gegenüber dem Vorjahr. Südkorea führt weiterhin mit insgesamt 34,000 Brennstoffzellenfahrzeugen. China liegt mit mehr als 18,000 Brennstoffzellenfahrzeugen weltweit an zweiter Stelle und überholte damit die USA. Allein im Jahr 2023 kamen in China fast 6,000 Fahrzeuge hinzu – der weltweit größte Zuwachs. Japan und Deutschland verfügen über mehr als 8,500 bzw. 2,900 Brennstoffzellenfahrzeuge. Auch der Ausbau der notwendigen Infrastruktur, insbesondere des Wasserstofftankstellennetzes, schreitet in wichtigen Ländern und Regionen weltweit stetig voran. Ende 2023 gab es weltweit 930 betriebsbereite Wasserstofftankstellen, ein Anstieg von 12.2 % gegenüber dem Vorjahr. Europa und Nordamerika verfügten über 188 bzw. 65 Stationen, während Südostasien 650 Stationen aufwies. (Diese Daten stammen aus offiziellen Statistiken verschiedener Länder; Korrekturen sind willkommen, falls Fehler entdeckt werden.)

The data indicates that fuel cell vehicle deployment is closely connected to the availability of hydrogen refueling infrastructure. For readers evaluating the complete vehicle energy pathway, our guide to how hydrogen cars refuel and how fuel cells work in vehicles explains the relationship between onboard hydrogen storage, refueling, and fuel cell power generation.

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Schienenverkehr

Neben Brennstoffzellenfahrzeugen hat auch die Anwendung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Schienenverkehr bedeutende Fortschritte gemacht. 2017 präsentierte Alstom in Frankreich einen Wasserstoff-Brennstoffzellenzug, der eine Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h und eine Reichweite von 600–800 km erreichte. Von Mitte Juni bis Ende September 2023 beförderte Alstom im Rahmen eines Demonstrationsprojekts über 10,000 Fahrgäste, führte mehr als 130 Fahrten durch und legte dabei eine Strecke von 10,660 Kilometern zurück. In diesem Projekt kamen mit grünem Wasserstoff betriebene Züge zum Einsatz, wodurch im Testzeitraum rund 8,400 Liter Diesel eingespart und 22 Tonnen CO₂-Emissionen vermieden wurden.

Im Juli 2024 lief in Yibin, Sichuan, die vom CRRC Zhuzhou Institute in China eigenständig entwickelte Wasserstoff-Smart-Straßenbahn vom Band und soll im August in Betrieb gehen. Diese Straßenbahn ist die weltweit erste eigenständige Entwicklung eines neuartigen, umweltfreundlichen Schienenverkehrsmittels, das die Vorteile von Schienen- und Straßenverkehr vereint. Die Smart-Straßenbahn nutzt innovative autonome Fahr- und Spurfolgetechnologie und zeichnet sich durch geringe Infrastrukturinvestitionen, kurze Bauzeiten, flexible Fahrpläne, niedrige CO₂-Emissionen, Umweltfreundlichkeit und hohen Bedienkomfort aus. Für einen effizienten Betrieb sorgt ein 35-MPa-Wasserstoffspeichersystem in Kombination mit einem leistungsstarken Brennstoffzellensystem, das sich durch hohe Energieumwandlungseffizienz und schnelles Betanken mit Wasserstoff auszeichnet und die Betriebseffizienz des Fahrzeugs deutlich verbessert. Die Wasserstoff-Smart-Straßenbahn hat eine größere Reichweite. Mit einer einzigen Wasserstoffbetankung kann die Straßenbahn mehr als 200 Kilometer zurücklegen und erfüllt damit die Anforderungen des städtischen Fernverkehrs. Sie bietet eine innovative Lösung für Schienenverkehrssysteme mittlerer bis niedriger Kapazität und vereint Kapazitäts- und Kostenvorteile im städtischen Verkehr.

Darüber hinaus schreitet der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie in Straßenbahnen in den USA, Japan, Spanien und Frankreich immer weiter voran. Im Jahr 2022 wurde der globale Markt für Wasserstoff-Brennstoffzellenzüge auf 1.45098 Milliarden US-Dollar geschätzt. Experten gehen davon aus, dass dieser Marktwert bis 2030 auf über 3.4 Milliarden US-Dollar ansteigen und mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 11.5 % wachsen wird.

Schiffsenergie mit Brennstoffzellen

In response to increasing environmental pressures and the vision of carbon peak and carbon neutrality, the shipbuilding industry is accelerating its exploration of alternative fuels for ships. According to a recent white paper by the American Bureau of Shipping (ABS), liquefied natural gas (LNG), as a relatively mature low-carbon fuel, has been promoted and applied in the maritime field. The maritime industry is evaluating several alternative fuels and propulsion technologies, including methanol, ammonia, hydrogen, batteries, and fuel cells. For hydrogen-powered vessels in particular, safe hydrogen storage, system integration, risk management, and regulatory approval are important engineering considerations.

Länder und Regionen wie Europa, die USA, Japan und Südkorea haben frühzeitig eine Vorreiterrolle in der Forschung und Entwicklung von Schiffsbrennstoffzellen eingenommen. Aktuell sind sie führend in deren Anwendung und Förderung, mit zahlreichen Anwendungs- und Demonstrationsprojekten für Schiffsantriebssysteme mit Brennstoffzellen.

Im Jahr 2008 nahm die Alsterwasser, ein 48 kW starkes Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen-Passagierschiff des deutschen Projekts Zemships, offiziell den Betrieb auf der Alster auf und wurde damit zum weltweit ersten in Betrieb befindlichen Passagierschiff mit Brennstoffzellen-Elektroantrieb.

Im Rahmen des von Norwegen finanzierten Demonstrationsprojekts „FellowSHIP“ für Brennstoffzellen-Schiffssysteme wurde 2009 die Viking Lady vorgestellt, ein Offshore-Versorgungsschiff, das mit einem 320-kW-Brennstoffzellen-Antriebssystem ausgestattet ist. Dieses Schiff, das in Zusammenarbeit mit mehreren europäischen Klassifikationsgesellschaften und Unternehmen entwickelt wurde, war das weltweit erste betriebsbereite Schiff, das Brennstoffzellentechnologie zur Stromerzeugung an Bord nutzte.

Die 2017 in Frankreich entwickelte Energy Observer lief vom Stapel und startete ihre Weltumsegelung. Ihr Brennstoffzellensystem nutzt Wasserstoff, der mittels einer solar- und windbetriebenen Elektrolyseanlage erzeugt und in Tanks gespeichert wird. Das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem versorgt das Schiff bei bewölktem Wetter, nachts und in der Anfangsphase langer Reisen mit Energie und macht es damit zum weltweit ersten Schiff, das seinen eigenen Wasserstoff produzieren kann.

Das kanadische Unternehmen Ballard Power Systems kündigte 2018 die Entwicklung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystemen (PEM-Brennstoffzellen) im Megawatt-Bereich für maritime Anwendungen an, mit Schwerpunkt auf Kreuzfahrtschiffen. Geplant ist die Stromversorgung der Kreuzfahrtschiffe im Hafen oder die Nutzung als Hauptantriebskraft während der Fahrt auf See.

Im Jahr 2024 unterzeichneten Advent Technologies und Siemens Energy eine Vereinbarung zur gemeinsamen Entwicklung (Joint Development Agreement, JDA). Ziel ist die Integration des 50-kW-Hochtemperatur-Protonenaustauschmembranmoduls (HT-PEM) von Advent, basierend auf der Ionenpaar-Membran-Elektroden-Einheit (MEA), in die hybriden und elektrischen Schiffs-Elektrifizierungs- und Automatisierungslösungen von Siemens Energy. Die Lösung soll eine integrierte 500-kW-Klasse für maritime Anwendungen entwickeln, die von Motoryachten und Megayachten bis hin zu Fähren und Container-/Handelsschiffen reicht.

PEM Fuel Cells vs Batteries: Which Applications Fit Each Technology?

PEM fuel cells and batteries are both electrochemical power technologies, but they solve different energy-storage and operating problems. The question is therefore not whether fuel cells are universally better than batteries, but which technology better matches the duty cycle of a specific application.

Battery systems store electrical energy directly and are highly effective where charging infrastructure is available, operating range is moderate, and vehicles or equipment can remain connected to a charger for sufficient periods.

PEM fuel cell systems generate electricity continuously from hydrogen stored onboard through electrochemical reactions within the stack. Understanding how PEM fuel cells work helps explain why they behave differently from battery systems in terms of energy storage, refueling, runtime, and system architecture.

For passenger vehicles used mainly for short daily trips, battery-electric systems can offer a simpler energy pathway where charging is readily available.

PEM fuel cells become more attractive when operating requirements shift toward longer range, high daily utilization, short refueling windows, or applications where adding more battery capacity significantly increases system mass or packaging requirements.

This is one reason fuel cell development is often discussed in relation to heavy-duty road transport, rail, marine systems, and other applications with demanding operating schedules.

Hybrid architectures are also possible. A PEM fuel cell can provide sustained energy while a battery handles transient power demand, regenerative braking, or short-term load changes. The appropriate architecture depends on the operating profile rather than on a single efficiency or energy-density value.

The practical technology choice should therefore consider the complete system: energy source, infrastructure, operating hours, refueling or charging time, packaging, lifetime, cost, and maintenance.

What Limits PEM Fuel Cell Deployment?

The technical ability to use a PEM fuel cell does not automatically make it the best solution for an application. Commercial deployment also depends on hydrogen availability, infrastructure, system cost, durability, and operating conditions.

Wasserstoffinfrastruktur

PEM fuel cells require a reliable hydrogen supply. For mobility applications, this also means access to suitable refueling infrastructure.

A technically capable fuel cell vehicle or rail system has limited practical value if hydrogen cannot be supplied at the required location, pressure, volume, and cost. Infrastructure therefore needs to be evaluated together with the fuel cell system rather than as a separate issue.

Systemkosten

The fuel cell stack is only one part of the total system.

A complete PEMFC system may also require:

• hydrogen storage,
• air supply,
• humidification,
• Wärmemanagement
• pumps and valves,
• sensors and controls,
• Leistungselektronik.

The economic case must therefore be evaluated at system level rather than by comparing stack cost alone.

Haltbarkeit und Einschaltdauer

Different applications place very different demands on PEMFC durability.

Passenger vehicles experience frequent load changes and start-stop operation. Heavy-duty transport can require long periods at higher loads. Marine and stationary applications may operate for extended periods with fewer shutdowns.

These operating profiles affect catalyst degradation, membrane durability, bipolar plate performance, sealing performance, thermal cycling, and water management. Because bipolar plates simultaneously influence electrical conduction, gas distribution, heat transfer, water management, and stack compression, their design can directly affect long-term stack reliability.

Umweltbedingungen

Temperature, humidity, vibration, contaminants, and exposure conditions can also determine whether a PEMFC architecture is practical.

Cold-climate applications, for example, require specific strategies for water removal, freezing prevention, and cold start. Marine environments may place greater emphasis on corrosion protection and system safety.

Application selection should therefore consider both the advantages of PEM fuel cells and the environment in which the stack must operate.

Fazit

The above sections detail the practical applications of proton exchange membrane fuel cells across vehicles, rail transportation, marine systems, and other demanding power scenarios. As PEMFC applications expand, stack designers must balance power density, durability, flow distribution, corrosion resistance, thermal management, and manufacturing cost.

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