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Brennstoffzellenfahrzeug
Brennstoffzellenfahrzeuge sind eine Form der Elektromobilität, die seit ca. 20 Jahren im Angebot, aber bisher wenig verbreitet sind. Der weltweite Bestand an …
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Grundprinzip und Bedeutung
Brennstoffzellenfahrzeuge, abgekürzt FC(E)V für englisch fuel cell (electric) vehicle, sind Fahrzeuge, die die Energie eines Energieträgers mithilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umwandeln. Meist wird Wasserstoff verwendet. Er muss entweder als Gas mit sehr hohem Druck oder flüssig bei sehr niedrigen Temperaturen gespeichert werden. Möglich sind auch niedermolekulare Alkohole wie Methanol oder eventuell Ethanol sowie Ammoniak; diese können flüssig getankt werden. Brennstoffzellenfahrzeuge stehen dabei in Konkurrenz zu Fahrzeugen, die dieselben Brennstoffe in günstigeren Verbrennungsmotoren nutzen, etwa in Wasserstoffverbrennungsmotoren.
Die erzeugte elektrische Energie treibt Elektromotoren an. Ein Teil kann direkt in Bewegung umgesetzt werden, ein Teil wird in einer relativ kleinen Antriebsbatterie zwischengespeichert. Diese Batterie ermöglicht Rekuperation, also die Rückgewinnung von Bremsenergie, und entlastet die Brennstoffzelle bei schnellen Lastwechseln. Dadurch kann die Brennstoffzelle kleiner und günstiger ausgelegt werden. Der Antrieb ähnelt deshalb einem seriellen Hybridelektrokraftfahrzeug.
Brennstoffzellenfahrzeuge gehören zur Elektromobilität, sind aber trotz etwa 20 Jahren Marktangebot nur wenig verbreitet. Ende 2024 lag der weltweite Bestand bei 97.356 Fahrzeugen. Davon waren 67.766 Fahrzeuge oder 69,6 % Pkw. Viele Pkw fuhren in Korea, den USA und Japan, während in China besonders viele Nutzfahrzeuge eingesetzt werden. 2023 wurden 15.400 Brennstoffzellenfahrzeuge neu zugelassen, etwa die Hälfte davon Pkw. Im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen blieb der Markt sehr klein: Auf ein verkauftes Brennstoffzellenfahrzeug kamen rund 1000 verkaufte batterieelektrische Fahrzeuge. Während der Absatz von Batteriefahrzeugen 2023 um 36 % wuchs, schrumpfte der Absatz von Brennstoffzellenfahrzeugen um 40 %.
Technik, Wirkungsgrad und Emissionen
Eine Brennstoffzelle konnte nach einem Bericht von 2011 chemisch gebundene Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 % direkt in elektrische Energie umwandeln. Im Fahrzeug lädt sie während des Betriebs kontinuierlich die Fahrbatterie nach. Über Elektromotoren wird die elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellenfahrzeugs liegt jedoch unter dem eines reinen batterieelektrischen Fahrzeugs. Während batterieelektrische Fahrzeuge nach Annahmen von 2014 bis zu 70–80 % erreichen können, liegen Brennstoffzellenfahrzeuge Tank-to-Wheel bei rund 40–50 %. Zusätzlich entstehen Verluste bei der Herstellung des Wasserstoffs.
In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird an der Anode Wasserstoff oxidiert: Er gibt Elektronen ab. Die dabei entstehenden Protonen wandern durch eine Elektrolytmembran zur Kathode. Die Membran lässt nur Protonen durch, sodass die Elektronen durch den äußeren Stromkreis fließen müssen und dort elektrische Arbeit leisten können. An der Kathode wird Sauerstoff aus der Luft reduziert, also unter Aufnahme von Elektronen umgewandelt. Die Sauerstoffionen reagieren mit den Protonen zu Wasser. Dabei entsteht Wärme, die im Winter zum Heizen genutzt oder im Sommer mit Lüftern abgeführt werden kann.
Bei reinem Wasserstoffbetrieb bestehen die direkten Abgasemissionen vor allem aus Wasserdampf beziehungsweise Wasser. Solche Fahrzeuge können daher die Luftqualität in verkehrsreichen Gebieten verbessern. Ihre Geräuschemissionen sind wegen Lüftern und Pumpen etwas höher als bei reinen batterieelektrischen Autos, aber deutlich niedriger als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
Bei der Herstellung des Fahrzeugs kann ein Brennstoffzellensystem gegenüber einer großen Batterie Vorteile haben: Für ein Batterieauto mit 75-kWh-Batterie und 500 km Reichweite werden beim damaligen Energiemix und Technikstand etwa 7 Tonnen CO2 genannt, für ein Brennstoffzellenfahrzeug gleicher Reichweite etwa 3,3 Tonnen, ohne Emissionen für die Wasserstoffinfrastruktur. In der Gesamtbilanz aus Herstellung und Betrieb schneiden Brennstoffzellenfahrzeuge wegen des geringeren Wirkungsgrads und des höheren Energieverbrauchs jedoch schlechter ab als vergleichbare Batteriefahrzeuge, sowohl beim derzeitigen als auch bei einem vollständig regenerativen Strommix.
Treibstoff, Speicherung und Energiekette
Für Brennstoffzellen-Pkw werden heute meist Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit 350–800 bar verwendet. Damit lassen sich Reichweiten von mehr als 500 km erreichen. Bei 700 bar erreicht die Dichte von Druckgas etwa 56 % der Dichte von flüssigem Wasserstoff. Flüssigwasserstoff bei −253 °C wird nur noch dort eingesetzt, wo größere Mengen gebraucht werden, zum Beispiel bei Bussen. Für die Kompression auf 700 bar müssen etwa 12 % der im Wasserstoff gebundenen Energie aufgewendet werden; bei der Verflüssigung sind es 28–46 %. Weitere Verluste entstehen, wenn Wasserstoff aus Tanks entweicht, weil er sich trotz Dämmung erwärmt und über Ablassventile ausgast.
Andere Speicherformen wie Metallhydridspeicher oder LOHC wurden 2021 wegen niedriger volumen- oder massenbezogener Speicherdichten nicht eingesetzt. Methanol kann entweder in einem Reformer zuerst zu gasförmigem Wasserstoff umgewandelt werden; dann spricht man von einer Reformed Methanol Fuel Cell (RMFC). Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) nutzen Methanol direkt, haben aber einen niedrigen Wirkungsgrad.
Wasserstoffgas ist kein Energierohstoff wie Kohle, Erdöl oder Erdgas. Es kommt in der Natur praktisch nicht frei vor, sondern gebunden, etwa in Wasser (H2O), Kohlenwasserstoffen, Biomasse oder anderen organischen Verbindungen. Wasserstoff muss deshalb unter Energieeinsatz freigesetzt werden. Bis 2012 wurde er fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern gewonnen. Dabei entstehen CO2 und weitere Schadstoffe. Klimafreundlicher ist die Herstellung durch Elektrolyse von Wasser mit Ökostrom oder als Biowasserstoff. Elektrolyse bedeutet, dass eine chemische Verbindung mithilfe elektrischer Energie gespalten wird.
Das Klimapotenzial von Wasserstoff kann nur genutzt werden, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Derzeit ist diese Herstellung wirtschaftlich jedoch nicht gegeben; über 90 % des genutzten Wasserstoffs werden durch Dampfreforming aus fossilen Quellen mit dem herkömmlichen Energiemix erzeugt. Wird Wasserstoff per Elektrolyse hergestellt, liegt der Gesamtwirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen typischerweise bei etwa 25–35 % für die Kette Strom → Wasserstoff → Fahrzeugantrieb. Batterieelektrische Fahrzeuge erreichen etwa 70–80 %. Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen daher im Regelfall zwei- bis dreimal so viel Primärenergie wie batterieelektrische Fahrzeuge. Seit den 2020er Jahren wird außerdem natürlich vorkommender „weißer Wasserstoff“ untersucht, der geologisch entstanden ist; erste größere Vorkommen wurden unter anderem in Mali und Frankreich nachgewiesen, spielen aber bisher praktisch keine Rolle für die Energieversorgung.
Verbreitung, Infrastruktur und rechtlicher Rahmen
Ende 2024 waren weltweit 97.356 Brennstoffzellenfahrzeuge in Nutzung. Davon fuhren 34.909 in Südkorea (36 %), 27.709 in China (28 %), 18.160 in den USA (19 %), 9.025 in Japan (9 %), 2.590 in Deutschland (2,7 %), 1.804 in Frankreich (1,9 %) und 672 in den Niederlanden (0,7 %). Von den Pkw waren 65 % in Asien, 27 % in Nordamerika und 8 % in Europa unterwegs. In Deutschland waren am 1. Januar 2024 2.116 Brennstoffzellen-Pkw zugelassen, was 0,003 % des Pkw-Bestands entsprach. Am 1. Januar 2026 waren es 1.572, also eine rückläufige Zahl.
Ende 2023 gab es 87.600 Brennstoffzellenfahrzeuge, über 70 % davon in Asien, 20 % in Nordamerika und weniger als 10 % in Europa. Von den 15.400 Neuzulassungen 2023 waren etwa die Hälfte Autos, etwa ein Viertel Lastkraftwagen und fast ein Zehntel Busse. 2022 waren weltweit etwa 72.000 Brennstoffzellenfahrzeuge in Betrieb, darunter ungefähr 80 % Autos, 10 % Busse und 10 % Lastwagen. Zusätzlich gab es etwa 50.000 Brennstoffzellen-Gabelstapler, vor allem in den USA.
Die Wasserstoffinfrastruktur wächst langsam, passend zur geringen Fahrzeugverbreitung. Ende 2022 gab es weltweit 1.020 Wasserstofftankstellen, die meisten in China mit über 300 und in Korea mit über 200. In Deutschland gab es im Januar 2023 95 Tankstellen, 5 weitere waren in Realisierung. Im November 2023 waren es 105 Tankstellen. Das Tanken dauert bei einem Auto etwa 3 bis 5 Minuten, bei einem Bus etwa 7 Minuten. Die vorhandenen Tankstellen könnten technisch teilweise auch Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor versorgen, doch Nutzungsbedingungen der Anbieter schließen dies mitunter aus.
Zulassungsrechtlich fallen Brennstoffzellenfahrzeuge in Deutschland unter das Elektromobilitätsgesetz. Seit Oktober 2015 kann deshalb ein E-Kennzeichen beantragt werden, mit dem die dort vorgesehenen Vergünstigungen für Elektroantriebe genutzt werden können. In Österreich fallen für Wasserstoff-Fahrzeuge weder die Normverbrauchsabgabe noch die jährliche motorbezogene Versicherungssteuer an.
Entwicklung und Fahrzeugarten
Die Entwicklung reicht von frühen Prototypen bis zu wenigen Serienfahrzeugen. 1959 wurde der Allis-Chalmers-Brennstoffzellentraktor vorgestellt. 1966 baute General Motors mit dem GM Electrovan das erste Brennstoffzellenauto; im selben Jahr fuhr auch ein von Karl Kordesch gebautes Brennstoffzellenmotorrad mit Hydrazin-Brennstoffzelle. 1994 stellte Daimler-Benz das Forschungsfahrzeug Mercedes-Benz NECAR vor. 2007 zeigte Honda mit dem FCX Clarity ein serienreifes Brennstoffzellenauto, das per Leasing an ausgewählte Kunden in Kalifornien ging. Von 2013 bis 2018 produzierte Hyundai den ix35 FCEV in Kleinserie, ab 2018 folgte der Hyundai Nexo.
Der Toyota Mirai, seit 2014 produziert und seit 2020 in zweiter Generation, war das erste Brennstoffzellenfahrzeug, das über Prototypen und Kleinserien hinausging. Bei etwa 90 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit reicht eine Tankfüllung maximal 500 km; das Nachtanken dauert etwa 3 Minuten. Neben Toyota Mirai, Hyundai Nexo und Honda Clarity Fuel Cell gab es nur wenige Pkw in nennenswerten Stückzahlen. 2023 lagen die jährlichen Verkäufe bei rund 4.000 Fahrzeugen, 2024 gingen sie auf unter 2.000 zurück. Der Hyundai Nexo der ersten Generation (2018–2024) erreichte über 38.500 verkaufte Exemplare und gilt damit als meistverkauftes Brennstoffzellenfahrzeug der Welt.
Bei Bussen wurden viele Projekte und Modelle entwickelt, etwa DaimlerChryslers NeBus von 1997, Mercedes-Benz Citaro-Brennstoffzellenbusse, Van-Hool-Busse, Solaris Urbino 12 hydrogen, der chinesische Yutong ZK6125FCEVG1, Toyota/Hino-Busse und Caetano H2.City Gold. In Hamm wurden 2025 die ersten zwei von insgesamt 30 beschafften Wasserstoffbussen in den Linienbetrieb aufgenommen. Bei Lkw treiben unter anderem EU-Vorgaben zur CO2-Reduktion alternative Antriebe an; Daimler und Volvo investierten gemeinsam in Brennstoffzellen, Toyota arbeitete mit Kenworth und Hino, Hyundai testete Lkw unter anderem in der Schweiz. Am 1. Januar 2025 waren in Deutschland 260 Brennstoffzellen-Lkw zugelassen, darunter 9 Sattelzugmaschinen.
Weitere Einsatzfelder sind Züge, Schiffe und Flugzeuge. Beispiele sind der Brennstoffzellenzug iLint von Alstom und der Siemens Mireo Plus H. Bei Schiffen gilt die Hydra aus dem Jahr 2000 als weltweit erstes Brennstoffzellenschiff mit Fahrgastzulassung; weitere Beispiele sind die Alsterwasser, U-Boot-Klassen 212 A und 214, die Viking Lady, Nemo H2 und das Schubboot Elektra. 2011 wurde der wirtschaftliche Einsatz von Brennstoffzellen auf Schiffen teilweise infrage gestellt. In der Luftfahrt flog 2009 der Motorsegler Antares DLR-H2 als erstes pilotengesteuertes Flugzeug ausschließlich mit Brennstoffzellenantrieb; 2016 hatte das viersitzige Passagierflugzeug HY4 seinen Erstflug.
Kritik und Ausblick
Der wichtigste Kritikpunkt ist der deutlich geringere Gesamtwirkungsgrad gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen. Durch die Umwandlung von Strom in grünen Wasserstoff und die spätere Rückumwandlung entstehen große Verluste. Ein Wasserstoffauto benötigt typischerweise zwei- bis dreimal so viel Strom wie ein batterieelektrisches Fahrzeug. Außerdem sind Wasserstofftankstellen deutlich teurer als Ladepunkte für batterieelektrische Fahrzeuge. Für ein flächendeckendes Netz in Deutschland werden etwa 1.000 Tankstellen genannt; Mitte 2023 existierten weiterhin nur etwa 90 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen, und manche wurden wegen mangelnder Nachfrage wieder abgebaut.
Mehrere Stimmen aus Wissenschaft und Industrie sehen Wasserstoff-Pkw kritisch. Martin Doppelbauer vom Karlsruher Institut für Technologie erklärte 2019, Wasserstoff sei für Netzstabilisierung notwendig, aber für den Pkw-Massenmarkt ungeeignet. VW-Chef Herbert Diess sprach sich 2019 und 2021 gegen Wasserstoffautos aus und verwies darauf, dass Wasserstoff eher für „Stahl, Chemie, Luftfahrt“ gebraucht werde. Ferdinand Dudenhöffer wird mit der Einschätzung zitiert, die „Wasserstoff-Technik […] im Pkw“ sei „so gut wie tot“. Insgesamt wird die Nutzung von Brennstoffzellenfahrzeugen in Wissenschaft und Industrie unterschiedlich bewertet.
Der Ausblick unterscheidet stark nach Fahrzeugart. Im Pkw-Bereich setzen weltweit die meisten Hersteller auf batterieelektrische Konzepte; im Juni 2024 boten nur wenige Hersteller Brennstoffzellenfahrzeuge an, bei Pkw vor allem Toyota und Hyundai. Einige Hersteller wie VW, Mercedes-Benz, Nissan, Ford, General Motors und Volvo haben die Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen beendet. Stellantis stoppte im Juli 2025 sein Entwicklungsprogramm für Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie und begründete dies damit, dass der Wasserstoffmarkt „ein Nischensegment ohne Aussichten auf mittelfristige wirtschaftliche Nachhaltigkeit“ bleibe.
Trotzdem bleiben Anwendungen möglich, bei denen Batterien an Grenzen stoßen. Neuere Studien, unter anderem Fraunhofer ISI 2026, sehen Wasserstoff im Verkehr vor allem im Schwerlastverkehr, bei Langstreckenanwendungen und in bestimmten Bereichen von Schiffs- und Luftverkehr als sinnvoll. Auch im Schwerlastverkehr sind jedoch Einschränkungen zu beachten: Drucktanks haben wegen hoher Wandstärke ein hohes Gewicht, müssen aus Sicherheitsgründen geschützt eingebaut werden und haben wegen der geringen Dichte von Wasserstoff, etwa 40 g/L bei 700 bar beziehungsweise 25 g/L bei 350 bar, eine niedrige nutzbare volumetrische Energiedichte im Gesamtsystem.
