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Brennstoffzellenfahrzeuge (FC(E)V für englisch fuel cell (electric) vehicle) sind Fahrzeuge, die Energie eines Energieträgers mithilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umwandeln. Wasserstoff ist der am meisten verwendete, mit Herausforderungen bei der Speicherung (als Gas mit extrem hohem Druck oder flüssig mit sehr niedrigen Temperaturen). Auch niedermolekulare Alkohole (vor allem Methanol, eventuell Ethanol) oder Ammoniak können verwendet und flüssig getankt werden. Es steht jeweils die Verwendung der Brennstoffe in kostengünstigeren Verbrennungsmotoren in direkter Konkurrenz, z. B. im Wasserstoffverbrennungsmotoren.
Die erzeugte elektrische Energie wird teilweise direkt mit dem Elektroantrieb in Bewegung umgewandelt, oder teilweise in einer relativ kleinen Antriebsbatterie zwischengespeichert. Dieser elektrische Speicher ermöglicht zum einen die Rekuperation, zum anderen entlastet er die Brennstoffzelle bei Lastwechseln und ermöglicht eine kleinere kostengünstigere Ausführung mit weniger Nennleistung. Der Aufbau des Antriebs entspricht damit einem seriellen Hybridelektrokraftfahrzeug.
Brennstoffzellenfahrzeuge sind eine Form der Elektromobilität, die seit ca. 20 Jahren im Angebot, aber bisher wenig verbreitet sind. Der weltweite Bestand an Brennstoffzellenfahrzeugen lag Ende 2024 bei insgesamt 97.356 Fahrzeugen. Die meisten davon, nämlich 67.766 oder 69,6 %, waren PKW. Viele dieser PKW fahren in Korea, den USA und in Japan, während in China sehr viele Nutzfahrzeuge eingesetzt werden. Im Jahr 2023 wurden 15.400 Brennstoffzellenfahrzeuge neu zugelassen, davon die Hälfte PKW. Damit blieb der Absatz von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu anderen Fahrzeugsegmenten sehr gering. Insgesamt kamen in dem Jahr auf ein verkauftes Brennstoffzellenfahrzeug rund 1000 verkaufte batterieelektrische Fahrzeuge, wobei der Absatz von Batteriefahrzeugen um 36 % wuchs, der von Brennstoffzellenfahrzeugen aber um 40 % schrumpfte.
Energiebereitstellung durch Brennstoffzellen Eine Brennstoffzelle konnte nach einem Bericht von 2011 chemisch gebundene Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 % direkt in elektrische Energie umwandeln. Die so gewonnene elektrische Energie wird in Antriebsbatterien gespeichert, die auch durch Rekuperation zurückgewonnene Bremsenergie speichern. Über Elektromotoren wird die elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Brennstoffzelle arbeitet im Betrieb kontinuierlich zur Energieversorgung und lädt die Fahrbatterie nach. Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenfahrzeuges liegt unter dem eines reinen batterieelektrischen Elektrofahrzeugs. Während batterieelektrische Fahrzeuge nach Annahmen von 2014 Wirkungsgrade bis zu 70–80 % erreichen können, beträgt er bei Brennstoffzellenfahrzeugen Tank-to-Wheel rund 40–50 %;DLR-Vortrag: Batterie oder Brennstoffzelle–was bewegt uns in Zukunft? K. Andreas Friedrich; Institut für Technische Thermodynamik; Pfaffenwaldring 38–40, Stuttgart; Chart 11 dlr.de (PDF; 3,5 MB) hierzu kommen weitere Verluste bei der Wasserstoffherstellung (siehe unten).
Günstiger ist hingegen die CO2-Bilanz für die Herstellung des Brennstoffzellensystems. Während für die Herstellung der Batterie eines E-Autos mit einer großen 75-kWh-Batterie und einer Reichweite von 500 km beim gegenwärtigen Energiemix und Technikstand etwa 7 Tonnen CO2 anfallen, sind es bei einem Brennstoffzellenfahrzeug mit gleicher Reichweite etwa 3,3 Tonnen, die Emissionen für den Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur nicht berücksichtigt. In der Gesamtbilanz, die sowohl Herstellungsaufwand als auch Betriebsphase berücksichtigt, hat ein Brennstoffzellenfahrzeug wegen des niedrigeren Wirkungsgrades und damit dem deutlich höheren Energieverbrauch aber eine schlechtere CO2-Bilanz als ein vergleichbares Batteriefahrzeug. Dies gilt sowohl beim derzeitigen als auch bei einem rein regenerativen Strommix.
Emissionen Während der Elektroantrieb bei reinen Elektroautos außer dem Reifenabrollgeräusch praktisch keine Lärmemissionen aufweist, entstehen beim Brennstoffzellenfahrzeug, vor allem durch Lüfter, die die Luft zuführen, und Zusatzaggregate wie Pumpen, geringe zusätzliche Geräusche. Die Betriebsgeräusche der Brennstoffzellenfahrzeuge liegen dabei deutlich unter denen verbrennungsmotorbetriebener Fahrzeuge. Die direkten Abgas-Fahrzeugemissionen bestehen bei reinem Wasserstoffbetrieb vor allem aus Wasserdampf bzw. Wasser. Somit tragen die Fahrzeuge zur Verbesserung der Luftqualität verkehrsreicher Gebiete bei.
Vorgänge in der Wasserstoff-Brennstoffzelle An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, das heißt, er gibt Elektronen ab. Die entstandenen Protonen durchdringen die Elektrolytmembran und fließen zur Kathode. Die Elektrolytmembran ist nur für die Protonen durchlässig, das heißt, dass die Elektronen „gezwungen“ sind, den äußeren Stromkreis (mit der Pufferbatterie bzw. dem Elektromotor) zu durchlaufen. Es gibt verschiedene Membransysteme für die Brennstoffzelle mit unterschiedlichem Wirkungsgrad und Arbeitstemperaturbereich. An der Kathode wird der mit dem Luftstrom herangeführte Sauerstoff reduziert, das heißt, Elektronen (die der Wasserstoff abgibt) werden aufgenommen. Danach treffen die negativ geladenen Sauerstoffionen auf die Protonen und reagieren zu Wasser. Damit wird der Stromkreislauf geschlossen. Gleichzeitig wird Wärme frei, die im Fahrzeug z. B. im Winter zu Heizzwecken genutzt werden kann, aber im Sommer mittels Lüfter abgeführt werden muss.
Treibstoffe und Tank mini|Display im Mercedes-Benz F-Cell
Für Brennstoffzellen-Pkw werden inzwischen Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (350–800 bar) verwendet, da die hiermit erzielbare Speicherdichte ausreicht, um Reichweiten von mehr als 500 km zu realisieren. Die Dichte von Druckgas kommt bei 700 bar schon etwa zu 56 % an die Dichte von flüssigem Wasserstoff heran.
Tiefkalter Flüssigwasserstoff (−253 °C, liquid H2) wird nur noch eingesetzt, wenn größere Mengen benötigt werden, z. B. bei Brennstoffzellenbussen. Für die Kompression auf 700 bar sind etwa 12 % der im Wasserstoff gebundenen Energie aufzuwenden. Dies muss als Umwandlungsverlust in die Energiebilanz eingehen. Bei der Verflüssigung sind 28–46 % aufzuwenden. Die Betankung erfolgt ähnlich der Betankung mit Flüssiggas oder Erdgas. Zusätzliche Verluste entstehen, wenn aus dem Fahrzeug oder dem Lagertank an der Tankstelle nicht regelmäßig Wasserstoff entnommen wird. Trotz hochwertiger Dämmung erwärmt sich der Flüssigwasserstoff und gast über Ablassventile aus.U. Bossel, Theorie und Praxis, April 2006: Wasserstoff löst keine Energieprobleme PDF, aufgerufen am 23. September 2014.
Andere Formen der Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen wie z. B. Metallhydridspeicher oder LOHC werden derzeit (2021) aufgrund von niedrigen volumen- oder massenbezogenen Speicherdichten nicht eingesetzt.
Es ist möglich, verschiedene energiehaltige Substanzen als Kraftstoff zu nutzen. Diese müssen für die Nutzung in der Brennstoffzelle zuvor in einem Reformer chemisch in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt werden. Wird hierbei Methanol als Brennstoff genutzt, so wird das Brennstoffzellensystem als Reformed Methanol Fuel Cell (RMFC) bezeichnet. Unmittelbar nutzen Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) den flüssigen Treibstoff Methanol, sie weisen jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad auf.
Wasserstofferzeugung und Energiekette
mini|Vergleich der Effizienz eines Wasserstoff- und eines Elektro-Antriebes
Wasserstoffgas ist kein Energierohstoff wie etwa Kohle, Erdöl oder Erdgas. Wasserstoff (H) besteht aus einem Proton und einem Elektron. Er liegt als ein farbloses, geschmacks- und geruchsloses, ungiftiges Gasmolekül aus zwei Atomen (H2) vor. In der Natur findet man es praktisch nicht in freier Form. Es liegt dort ausschließlich in gebundener Form, z. B. als Wasser (H2O), in Kohlenwasserstoffen – also auch in Erdöl, Erdgas, Kohle und Biomasse – oder in anderen organischen Verbindungen vor. Wasserstoff wird unter Einsatz von Energie freigesetzt. Er wurde bis 2012 fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern gewonnen.HydroGeit: , eingefügt am 5. Februar 2012.
Allerdings entstehen bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Quellen CO2 und diverse Schadstoffe als Nebenprodukte. Im Sinne des Klimaschutzes ist das Ziel, Wasserstoff möglichst ganz ohne CO2-Emission herzustellen. Die klimafreundlichere Variante ist, Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser mittels Ökostrom oder als Biowasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu produzieren. Unter Elektrolyse versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung elektrischer Energie. Wasserstoff ist ein kohlenstofffreier Kraftstoff und kann so zur CO2-Reduktion beitragen. Dieses Potenzial des Wasserstoffs kann aber nur ausgeschöpft werden, wenn der Strom aus erneuerbaren Energieträgern stammt.Dominic A. Notter, Katerina Kouravelou, Theodoros Karachalios, Maria K. Daletou and Nara Tudela Haberlandad: Life cycle assessment of PEM FC applications: electric mobility and μ-CHP. In: Energy and Environmental Science 8, 2015, S. 1969–1985, doi:10.1039/C5EE01082A. Der für die Elektrolyse erforderliche Strom kann aus Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser gewonnen werden, die Wirtschaftlichkeit dieser Art der Wasserstoffherstellung ist derzeit aber nicht gegeben. Über 90 % des derzeit genutzten Wasserstoffes werden daher durch Dampfreforming aus fossilen Quellen unter Verwendung des herkömmlichen Energiemixes erzeugt.
Falls der benötigte Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt wird, liegt der Gesamtwirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen typischerweise im Bereich von etwa 25–35 % (Strom → Wasserstoff → Fahrzeugantrieb), abhängig von Technologie und Randbedingungen. Batterieelektrische Fahrzeuge erreichen im Vergleich Gesamtwirkungsgrade von etwa 70–80 %. Damit benötigen Brennstoffzellenfahrzeuge im Regelfall zwei- bis dreimal so viel Primärenergie wie batterieelektrische Fahrzeuge. Aktuelle Übersichtsarbeiten bestätigen, dass diese grundlegenden Effizienzunterschiede auch bei technologischem Fortschritt bestehen bleiben.
Damit verbrauchen Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit regenerativem Elektrolysewasserstoff betrieben werden, zwar weniger Primärenergie als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor,Mark Z. Jacobson et al., 100 % clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States. In: Energy and Environmental Science 7, 2015, S. 2093–2117, S. 2095, doi:10.1039/c5ee01283j. jedoch auch mehr als doppelt so viel wie batterieelektrische Fahrzeuge.
Aktuelle systemische Analysen (z. B. Fraunhofer ISI, 2026) kommen zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff im Verkehrssektor vor allem dort sinnvoll eingesetzt werden kann, wo batterieelektrische Lösungen an Grenzen stoßen, insbesondere im Schwerlastverkehr, bei Langstreckenanwendungen sowie in bestimmten Bereichen des Schiffs- und Luftverkehrs. Für Pkw hingegen wird aufgrund der geringeren Energieeffizienz, höherer Kosten und bestehender Infrastrukturvorteile batterieelektrischer Fahrzeuge langfristig nur eine geringe Bedeutung erwartet.