Projekt

Unser Monitoring verfolgt die technologische Entwicklung von Brennstoffzellen. Aufgrund ihrer Vielschichtigkeit lassen sich zahlreiche Typen unterscheiden, die sich unter anderem in Prozessführung, Betriebsparametern und Materialwahl deutlich unterscheiden. Für unsere Analysen bündeln wir diese Vielfalt in drei übergeordneten Kategorien, die mehrere Technologien und Prozessvarianten abdecken.

Grundprinzip jeder Brennstoffzelle ist die Umwandlung chemischer in elektrische Energie mittels einer Redoxreaktion. Konkret kommt typischerweise Wasserstoff zum Einsatz, welcher in einer exothermen Reaktion mit Sauerstoff Wasser bildet (Knallgasreaktion). Anstelle der direkten Verbrennung trennt die Brennstoffzelle die Redoxreaktion räumlich auf Halbzellen (jeweils für Reduktion und Oxidation) auf. Beide sind leitend über einen Stromkreis verbunden, über den die elektrische Energie entnommen und extern genutzt werden kann. Zudem ist eine Verbindung beider Halbzellen über eine Ionenbrücke essenziell, um einen vollständigen Ladungsausgleich zu gewährleisten. In Analogie zu Batterien werden individuelle Brennstoffzellen modular zu sogenannten Stacks zusammengesetzt, die in Kombination die gewünschten Spannungen und Stromstärken liefern. Abseits dieser grundlegenden Prinzipien unterscheiden sich Brennstoffzellen jedoch u. a. nach Arbeitstemperatur und elektrochemischem Aufbau der Zellen. Hier kommt unter anderem der Typ der wandernden Ionen und die Art der räumlichen Trennung (Membranen, poröse Matrizen) zum Tragen.

Öffentliche Forschungsförderung ist ein zentraler Treiber für die Entwicklung neuer Technologien, besonders in frühen Innovationsphasen, also bevor kommerzielle Anwendungen wettbewerbsfähig werden. Die Vergabe der Fördermittel erfolgt dabei projektgebunden an relevante Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft, meist in Form von Konsortien, die in Projektverbünden organisiert sind. Gebote zur Transparenz in Rechtsstaaten erlauben der Öffentlichkeit in der Regel ein gewisses Maß an Zugang zu Basisdaten zur Vergabe von Fördermitteln. Im Idealfall ist dieser Zugang über Datenbanken systematisiert, die einen Ausgangspunkt für unsere Analysen bieten. In Deutschland existiert u. a. der Förderkatalog der Bundesregierung; für den Bereich der Energieforschung steht zudem das Portal EnArgus zur Verfügung, das erweiterte Funktionalitäten bietet und hier von uns eingesetzt wird.

Brennstoffzellforschung in Deutschland

Konkret nutzen wir die Suche nach einschlägigen Stichworten (unter Berücksichtigung technischer und sprachlicher Varianten) und Förderplansystematiken zur Identifikation relevanter Datenbankeinträge (in EnArgus), die wir zur Weiterverarbeitung in unsere lokale Datenbank überführen. Letztere erlaubt uns u. a. die Systematisierung (insb. Zusammenführung von Verbundprojekten), die Klassifizierung (insb. Zuordnung zu Technologien) und die Bereinigung (insb. Entfernung irrelevanter Treffer) der Suchergebnisse. Unser Vorgehen basiert dabei vor allem auf spezifischen, laufend verfeinerten Suchstrategien, ergänzt durch eine manuelle Prüfung.

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_{Abbildung 1: Darstellung der identifizierten Brennstoffzell-Projekte auf Bundesebene und deren Zuordnung nach Technologie-Kategorien (nach Fördervolumen).}

Aggregierte Analysen der Fördermittelvergabe

Zahlreiche Förderprojekte der Bundesregierung belegen das erhebliche staatliche Engagement zur Entwicklung und Kommerzialisierung von Brennstoffzellen. Viele Initiativen sind aktuell, andere reichen Jahre oder gar Jahrzehnte zurück. Die Vergabe der Fördermittel verteilt sich über verschiedene Ressorts und adressiert unterschiedliche Technologie-Varianten. Zu einem besseren Verständnis der dahinterliegenden Trends tragen aggregierte Analysen bei. Die einzelnen Projekte unterscheiden sich dabei deutlich in Art, Umfang, Dauer und Zielrichtung.

Die folgenden Analysen berücksichtigen ausschließlich das nominelle Fördervolumen (unter der Annahme einer linearen Mittelvergabe über die jeweilige Projektlaufzeit). Die gezeigte Darstellung berücksichtigt also weder einen Inflationsausgleich noch eine Differenzierung nach Charakter der Förderprojekte (von Forschung und Entwicklung zu Markthochlauf und -anreizprogrammen). So zeigt Abbildung 2 die Verteilung von Fördermitteln der Bundesregierung für Brennstoffzell-Projekte über den gesamten Untersuchungszeitraum (beginnend mit der ersten in EnArgus erfassten Förderung im Jahr 1969).

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^{Abbildung 2: Jährliche Fördermittelvergabe für die Brennstoffzell-Forschung durch Bundesministerien in Deutschland seit 1969 auf logarithmischer Skala.}

Da sich die Förderung über mehrere Dekaden erstreckt und dabei unterschiedliche Intensitäten erreicht, ist Abbildung 2 nur bei einer logarithmischen Skalierung über den gesamten Zeitraum lesbar. Langfristig erkennen wir einen deutlichen Trend zur Steigerung der jährlichen Fördermittel über mehrere Größenordnungen. Allerdings erfolgt der Anstieg mitnichten stetig, sondern verläuft in ausgeprägten Wellen, die sich meist über den Zeitraum von etwa einer Dekade erstrecken. Die erste erstreckte sich über die 1970er Jahre und erreichte Förderraten bis über 2 Mio. €/Jahr. In den 1980ern kam die Förderung zeitweilig zum Erliegen, stabilisierte sicher aber in den 1990er Jahren auf einem Niveau von etwa 7 Mio. €/Jahr. In drei weiteren, jeweils recht dynamisch verlaufenen Anstiegen erreichte die kumulierte jährliche Fördersumme neue Spitzenwerte von über 25 Mio. € (in 2002), über 70 Mio. € (in 2010) und über 180 Mio. € (in 2023). Zwischen diesen Wellen verharrte die Förderrate jeweils auf dem erhöhten (tendenziell leicht abfallenden) Plateau. Der detaillierte Verlauf seit der Jahrtausendwende ist ergänzend in Abbildung 3 auf linearer Skala dargestellt.

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^{Abbildung 3: Nach Technologie-Kategorien differenzierte Darstellung der jährlichen Fördermittel der Bundesregierung für die Brennstoffzell-Forschung in Deutschland im Zeitraum 2000–2024 auf linearer Skala.}

Neben der absoluten Entwicklung differenziert Abbildung 3 die Fördermittel nach den von uns definierten Technologie-Kategorien. Deutlich zu erkennen ist der starke Anstieg der Förderung ohne direkte Zuordnung zu einer bestimmten Brennstoffzell-Technologie seit dem Jahr 2009. Häufig handelt es sich dabei um Markthochlauf- und Marktanreizprogramme, die beispielsweise in dezidierte Anwendungen (z. B. Verkehrsprojekte mit Brennstoffzell-Fahrzeugen) oder Infrastrukturaufbau (z. B. Tankstelleninfrastruktur) investieren.

Die Ausweitung dieser Förderungen in der vergangenen Dekade spiegelt sowohl ein wachsendes Anwendungsinteresse in Politik und Gesellschaft als auch den gestiegenen Reifegrad der Technologie wider. Seit dem Jahr 2017 kann zudem eine stetige (und jüngst beschleunigte) Zunahme der Förderung speziell für die Polymerelektrolyt-Technologie beobachtet werden, während die Investitionen in Hochtemperatur-Brennstoffzellen über den gesamten Betrachtungszeitraum (unter gewissen Schwankungen) weitgehend konstant blieben.

Seit 2023 ist die Förderung ohne Technologie-Zuordnung rückläufig – ein Hinweis auf bestehende perspektivische Unsicherheiten. Weitere Kontextinformationen liefert die Betrachtung der Ressortverteilung (vgl. Abbildung 4).

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^{Abbildung 4: Nach Fördergebern (Ressorts der Bundesregierung) differenzierte Darstellung der jährlichen Fördermittel für die Brennstoffzell-Forschung in Deutschland im Zeitraum 2000–2024 auf linearer Skala.}

Abbildung 4 zeigt die jährlichen Investitionen des Bundes in Forschungsprojekte zum Thema Brennstoffzellen aufgeschlüsselt nach fördernden Ministerien seit dem Jahr 2000. Analog zu Abbildung 3 ist auch hier das Wachstum in drei Wellenbewegungen erkennbar. Zudem wird deutlich, dass die Dynamik der Förderung von Brennstoffzellen seit 2009 vor allem durch das Verkehrsministerium (BMV) bestimmt wird, das den Einsatz von Brennstoffzellen im Mobilitätssektor vorantreibt. Dagegen setzt sich das Wirtschaftsministerium (BMWE) für die Industrialisierung von Brennstoffzellen in der Breite ein, sowohl bei Fahrzeugherstellern als auch in anderen Branchen.

Auf den ersten Blick kontraintuitiv wirkt die vergleichsweise kleine – erst in jüngster Zeit anwachsende – Rolle des Forschungsministeriums (BMFTR) in Bezug auf die Fördervolumina.Bei der Interpretation sind jedoch einige Faktoren zu berücksichtigen:

• (a) Unterschiede im Mittelbedarf zwischen Forschungs- und Entwicklungsprojekten und Markthochlauf- und Marktanreizprogrammen
• (b) Vorlauf der Grundlagenforschung für Brennstoffzellen (vor der Jahrtausendwende, vgl. Abbildung 2)
• (c) mit der anlaufenden Kommerzialisierung steigt nun auch wieder der Bedarf an Forschung und Entwicklung relevanter Materialien und Komponenten.

Abschließend schlüsselt Abbildung 5 das Engagement der drei wichtigsten Fördergeber nach Technologie-Bereichen auf.

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^{Abbildung 5: Aufschlüsselung der von den relevanten Ressorts vergebenen Fördermittel für Brennstoffzell-Projekte jeweils nach Technologie-Kategorien.}

Die in Abbildung 5 gezeigte Aufteilung der Fördermittel nach Technologie und Ressort liefert weitere Einblicke. Sowohl bei der Grundlagenforschung (BMFTR) als auch bei der industriellen Anwendungsforschung (BMWE) werden Polymerelektrolyt- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen jeweils stark und in vergleichbarer Intensität gefördert. Alternative Technologien werden vor allem bei der Grundlagenforschung berücksichtigt.

Eine deutlich andere Struktur zeigt sich bei den Projekten des Verkehrsministeriums (BMV). Es ist eine klare Präferenz für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen zu erkennen, was deren besondere Eignung für den Verkehrssektor widerspiegelt. Zudem liegt der Fokus hier stark auf Markthochlauf- und Marktanreizprogrammen, die vergleichsweise hohe Fördervolumina bedürfen und häufig weniger direkt an eine konkrete Brennstoffzelltechnologie gekoppelt sind.

Akteure: Forschungsnetzwerk zu Brennstoffzellen in Deutschland 

In einer Netzwerkanalyse können wir nun die Zusammenarbeit von Akteuren, die in der Brennstoffzellforschung aktiv sind (oder waren), systematisch untersuchen, indem wir deren Partizipation in den geförderten Forschungsprojekten nachvollziehen. So zeigt Abbildung 6 einen Auszug des Gesamtnetzwerks (also aller Brennstoffzellprojekte aus Abbildung 1). In dieser Netzwerkgrafik visualisieren wir sowohl Akteure (Fördergeber und -empfänger) als auch Projekte als Knoten wobei Projektbeteiligungen als Verbindungslinien (Kanten) zwischen diesen dargestellt sind.

 Im Detail stellen wir Projektknoten grau dar und drücken deren (optionale) Zuordnung zu Technologie-Kategorien durch Symbole aus:

• Ⓟ für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
• Ⓣ für Hochtemperatur-Brennstoffzellen
• Ⓐ für alternative Technologien
• ⓜ für multiple Kategorien
• ⓞ für Brennstoffzellenprojekte ohne spezifischen Technologie-Bezug
  

Wissenschaftliche Akteure kennzeichnen wir in Blau und differenzieren dabei in der Form nach Universitäten und Hochschulen (Kreise), unabhängigen (außeruniversitären) Forschungseinrichtungen (Rauten). Industrielle Akteure erscheinen dagegen als farbige Kreise in Orange (Großunternehmen) und Gelb (Mittelstand). Andere Förderempfänger (Verbände, Vereine etc.) erscheinen ggf. in Weiß, während die Fördergeber (Bundesministerien) in Beige dargestellt sind.

Die Größe der Akteurs-Knoten skaliert dabei jeweils mit der Anzahl der Projektbeteiligungen. Sie liefert somit eine grobe Indikation ihrer Relevanz im Brennstoffzellsektor, allerdings ohne Berücksichtigung des jeweiligen Fördervolumens oder der inhaltlichen Kompetenzen. Die Legende der Netzwerkgraphen vermerkt zudem jeweils den Datenstand (Zeitpunkt der Quellabfragen in EnArgus) sowie etwaige Einschränkungen der Darstellung zur Verbesserung der Übersichtlichkeit. 

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^{Abbildung 6: Auszug aus dem Forschungsnetzwerk zu Brennstoffzellen in Deutschland (gemäß Förderung auf Bundesebene; eingeschränkt auf Projekte mit mindestens 4 Teilnehmern und Akteure mit mindestens 5 Projektbeteiligungen).}

In Abbildung 6 sind ausschließlich Akteure mit mindestens vier Projektbeteiligungen dargestellt und multiple Projekte in identischer Konstellation (gleicher Förderempfänger und -geber) konsolidiert dargestellt (und die entsprechenden Projektknoten mit Zahlen markiert). Ein vollständiger Graph des Forschungsnetzwerks (mit allen Akteuren) ist unter diesem Link abrufbar.

Besonders sichtbar werden in Abbildung 6 die Bundesministerien für Wirtschaft (BMWE), für Verkehr (BMV) und für Forschung (BMFTR) als zentrale Fördergeber in der Brennstoffzellforschung. Aufgrund ihrer Größe und der aggregierten Darstellung treten die Helmholtz-Gemeinschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft im Forschungssektor klar hervor, aber auch die Bedeutung spezialisierter Forschungszentren wie dem ZBT in Nordrhein-Westfalen und dem ZSW in Baden-Württemberg sowie einiger Universitäten wird deutlich.

Zudem zeigt sich ein breit gestreutes Engagement der Industrie, das von potenziellen Anwendern (v. a. im Automobilsektor, aber auch Energieversorger, Werften) über dezidierte Hersteller von Brennstoffzellen bis hin zu deren potenziellen Zulieferern (Komponenten, Materialien) ein breites Spektrum entlang künftiger Wertschöpfungsnetzwerke abdeckt.

Für detaillierte Analysen differenzieren wir die Forschungsnetzwerke jedoch im Folgenden nach unseren Brennstoffzell-Kategorien (vgl. Abbildung 1).

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

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^{Abbildung 7: Auszug aus dem Forschungsnetzwerk zu Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen in Deutschland (gemäß Förderung auf Bundesebene; eingeschränkt auf Akteure mit mindestens vier Projektbeteiligungen).}

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^{Abbildung 8: Auszug aus dem Forschungsnetzwerk zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Deutschland (gemäß Förderung auf Bundesebene; eingeschränkt auf Akteure mit mindestens zwei Projektbeteiligungen).}

Abbildung 8 zeigt einen Auszug des Forschungsnetzwerks zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Deutschland. Analog  zu Abbildungen 6 und 7 werden hier nur Akteure mit mindestens zwei Projektbeteiligungen berücksichtigt. . Ein vollständiger Graph des Forschungsnetzwerks (mit allen Akteuren) ist unter diesem Link abrufbar.

Die Technologien aus dieser Kategorie eignen sich zumeist besonders für stationäre und großskalige Anwendungen in der Industrie. Wegen der hohen Arbeitstemperaturen sind sie besonders für die Nutzung der Abwärme (Kraft-Wärme-Kopplung) prädestiniert, was in Summe zu hohen Wirkungsgraden führt. Aufgrund dieses Profils dominiert hier das BMWE als Fördergeber. Einige Großkonzerne (insbesondere Siemens, BMW) fallen durch eine hohe Projektanzahl auf, während einige Spezialisten (wie SunFire, CeramTec, ElringKlinger) eine besonders breite Vernetzung aufweisen.

Alternative Technologien

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^{Abbildung 9: Forschungsnetzwerk zu alternativen Brennstoffzell-Technologien in Deutschland (gemäß Förderung auf Bundesebene; alle Akteure dargestellt).}

Brennstoffzellen in Europa

Die Transformation verschiedener Sektoren hin zu klimaneutraleren Alternativen ist nicht nur in Deutschland, sondern auch international ein wichtiges Thema. Die EU fördert daher mehrere internationale Projekte mit Beteiligung vielfältiger Akteure aus unterschiedlichen Ländern. Diese Projekte wurden mithilfe von Einträgen in der öffentlich zugänglichen Datenbank CORDIS (CORDIS | Europäische Kommission) erfasst.

Unsere stetig weiterentwickelte Suchstrategie ermöglicht dabei die Identifizierung relevanter Treffer, die von uns aufbereitet und anschließend, analog zu den nationalen Projekten, analysiert werden. Die Zuordnung der Projekte zu Brennstoffzell-Technologie-Kategorien erfolgt nach dem in Abschnitt »Brennstoffzellen-Technologien« beschriebenen Vorgehen.

Abbildung 1 vermittelt einen Überblick über unsere Ergebnisse zu Brennstoffzell-Projekten in Europa mit direkter Förderung durch die EU. Bis Juli 2025 wurden insgesamt 731 Projektverbünde mit Bezug zu Brennstoffzellen erfasst.

Die Darstellung schlüsselt nach Technologien auf. Ein großer Teil der Projekte (257) lässt sich keiner spezifischen Kategorie zuordnen. Hierbei handelt es sich häufig um groß angelegte, förderstarke Vorhaben, die meist Teil einer übergeordneten Wertschöpfungskette sind. Beispiele dafür sind die sogenannten »Hydrogen Valleys«, die in Pilotregionen eine vollständig auf Wasserstoff basierte Infrastruktur erproben.  

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^{Abbildung 1: Mengendarstellung (Venn-Diagramm) der identifizierten Brennstoffzell-Projekte in Europa und deren Zuordnung nach Technologie-Kategorien.}

Bei der in Abbildung 1 dargestellten Mengenbetrachtung der Projekte mit spezifischen Technologie-Bezug in Europa stellen Hochtemperatur-Brennstoffzell-Projekte den größten Anteil dar, gefolgt von der Polymerelektrolyt-Technologie. Betrachtet man allerdings die Projekte anhand der zugeordneten Gesamtfördersumme, sind Hochtemperatur- und Brennstoffzell-Technologie mit etwa 400 Mio. € nahezu gleichauf.

Projekte zur marktreiferen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle sind oft große und kostenintensive Demonstrations- oder Pilotprojekte, während die Hochtemperatur-Brennstoffzelle überwiegend in kleineren Grundlagen- und Materialforschungsprojekten adressiert werden. Eine deutlich kleinere Anzahl an Projekten entfällt auf die Kategorie der alternativen Technologien.

Die erkennbaren Schnittmengen sind von geringerer Bedeutung, da dieser Kategorie vor allem neue und technologisch nicht ausgereifte Brennstoffzellen zugeordnet sind, die bislang selten in größerem Maßstab Anwendung finden.

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^{Abbildung 2: Jährliche Fördermittelvergabe für die Brennstoffzellforschung durch die EU in Europa seit dem Jahr 2000.}

In Abbildung 2 sind die jährlichen Fördersummen seit dem Jahr 2000 bis zum letzten vollständigen Jahr 2024 dargestellt. Da sich Projektlaufzeiten meist über mehrere Jahre erstrecken, wurde die jeweilige Projekt-Fördersumme für diese Auswertung gleichmäßig über die Projekt-Laufzeit verteilt.

Im Allgemeinen ist eine deutliche Steigerung der Fördersummen über mehrere Größenordnungen seit der Jahrtausendwende erkennbar. Von anfangs knapp 5 Mio. €/a im Jahr 2000 stieg die Förderung für Brennstoffzell-Projekte zunächst stark auf über 45 Mio. €/a im Jahr 2008. Nach einem leichten Rückgang während der Finanzkrise Ende der 2000er Jahre stieg die Förderung in den folgenden Jahren weiter an und erreichte im Jahr 2019 erstmals die Marke von 100 Mio. €., verblieb aber in den folgenden fünf Jahren etwa auf diesem Niveau mit leicht steigender Tendenz. Ab Beginn der 2020er-Jahre ist erneut ein deutlicher Anstieg zu beobachten, der bis 2024 auf knapp 200 Mio. € pro Jahr führt. In den Jahren 2023 und 2024 liefen einige Projekte an, die zu einem starken Anstieg der Fördersummen in diesen Jahren geführt haben. Zu einem der Projekte mit großer EU-Förderung (29 Mio. €) zählt HEROPS (Hydrogen‐Electric Zero Emission Propulsion System), wobei einer MTU Entwicklung einer Brennstoffzelle für Regionalflugzeuge vorangetrieben wird.

Abbildung 2 schlüsselt ebenso die vergebenen Fördermittel nach Technologie-Bereichen auf. Auch in dieser Darstellung wird deutlich, dass eine reine Analyse zur Anzahl der geförderten Projekte in den jeweiligen Technologie-Kategorien kein vollständiges Bild der technologischen Schwerpunkte vermittelt. Die Gesamtsumme der Förderung für die Hochtemperatur- und Polymerelektrolyt-Technologie über alle Jahre sind in etwa gleich groß. Seit 2013 jedoch liegen die Fördersummen der EU für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen über denen der Hochtemperatur-Brennstoffzelle, was mit einem verstärkten Fokus der EU auf Anwendungen im Mobilitätssektor zusammenhängt. Alternative Brennstoffzell-Technologien haben über den gesamten Zeitraum eine geringere Bedeutung. Ein Großteil der Förderung floss auch stets in Projekte ohne spezifischen Technologiebezug zum Beispiel in Brennstoffzell-Vorhaben zur angewandten Forschung, Demonstration und Industrialisierung sowie Aufbau von Infrastruktur.

Ein prominentes Beispielprojekt für die Hochtemperatur-Technologie ist HELENUS (knapp 15 Mio. € Fördersumme). Hier werden SOFC-Brennstoffzellen mit einer Leistung von bis zu 20 MW für große Kreuzfahrtschiffe appliziert, welche sowohl unterstützend für den Antrieb (Hybrid) als auch für die Strom- und Wärmeversorgung des Schiffes eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Kreuzfahrtschiffen kann dadurch eine Kraftstoffersparnis von etwa 23 Prozent ermöglicht werden.

Für die Polymerelektrolyt-Technologie steht exemplarisch das Großprojekt BRAVA (Fördersumme: knapp 20 Mio. €). Hier werden Schlüsseltechnologien für ein 2,4 MW (8 x 300 kW) Brennstoffzellensystem zur Flugzeugantriebsversorgung entwickelt. Mehrere dieser Systeme sollen künftig Flugzeuge mit bis zu 100 Passagieren über 1800 km antreiben. 

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^{Abbildung 3: Nationalität der Förderempfänger für Brennstoffzell-Projekte durch die EU nach Technologien.}

Abbildung 3 zeigt die nach Technologien differenzierte Verteilung der Fördermittel auf die Teilnehmer einzelner Länder. Dabei wurden nur die am stärksten beteiligten Nationen einzeln aufgetragen. Die Fördermittel der geringen Anzahl an Projekten, bei denen mehrere Technologien verortet werden können (siehe dazu Abb.1), wurden in dieser Darstellung der jeweils zuerst genannten Technologie zugeordnet.

Deutsche Teilnehmer haben mit insgesamt etwa 380 Mio. € die meisten Fördermittel erhalten, gefolgt von Frankreich und Italien mit um die 200 Mio. €. Das Vereinigte Königreich ist ebenso ein wichtiger Forschungsstandort für Brennstoffzellen. Im Zuge des Brexits jedoch ist die Beteiligung stark zurückgegangen. Projektbeteiligungen aus Spanien hingegen haben in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Das Land verfolgt eine klare nationale Wasserstoff-Strategie und beteiligt sich an europäischen Konsortien. Als Beispiel hierfür sei das von der EU geförderte (10 Mio. €) Projekt FCH₂Rail für die Entwicklung eines bi-modalen Zuges (Elektrisch / Hybrid aus Brennstoffzelle + Batterie) auf spanischen und portugiesischen Strecken genannt.

Akteure: Forschungsnetzwerk zu Brennstoffzellen in Europa

In einer Netzwerkanalyse können wir nun die Zusammenarbeit von Akteuren, die in der Brennstoffzellforschung aktiv sind (oder waren), systematisch untersuchen, indem wir deren Partizipation in den geförderten Forschungsprojekten nachvollziehen. In den folgenden Netzwerkgrafiken visualisieren wir Akteure (Fördergeber und -empfänger) ebenso wie Projekte als Knoten und bilden Projektbeteiligungen als Verbindungslinien (Kanten) zwischen ihnen ab.

Im Detail stellen wir Projektknoten grau dar und drücken deren (optionale) Zuordnung zu Technologie-Kategorien durch Symbole aus:

• ℗ für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen
• Ⓣ für Hochtemperatur-Brennstoffzellen
• Ⓐ für alternative Technologien
• ⓜ für multiple Kategorien
• ⓞ für Brennstoffzellenprojekte ohne spezifischen Technologie-Bezug

Zur besseren Vergleichbarkeit mit den Darstellungen des Forschungsnetzwerks in Deutschland (siehe dazu Abschnitt »Forschungsnetzwerk Deutschland« haben wir die in Cordis hinterlegten und mit »activity type« (Klammer in der Legende) bezeichneten Kategorien für diese Netzwerkdiagramme in vergleichbare Kategorien übersetzt. Wissenschaftliche Akteure kennzeichnen wir in Blau, differenzieren dabei in der Form nach Universitäten und Hochschulen (Kreise) sowie unabhängigen (außeruniversitären) Forschungseinrichtungen (Rauten). Industrielle Akteure stellen wir dagegen als farbige Kreise in Orange und öffentliche Einrichtungen als farbige Quadrate in Grün. Andere Förderempfänger (Verbände, Vereine etc.) erscheinen ggf. in Weiß.

Die Größe der Akteurs-Knoten skaliert dabei jeweils mit der Anzahl der Projektbeteiligungen. Sie liefert somit grobe Indikation bzgl. deren Relevanz im Brennstoffzellsektor, allerdings ohne Berücksichtigung des jeweiligen Fördervolumens oder der inhaltlichen Kompetenzen. Die Legende der Netzwerkgrafiken vermerkt zudem jeweils den Datenstand (Zeitpunkt der Quellabfragen in Cordis) sowie etwaige Einschränkungen der Darstellung zur Verbesserung der Übersichtlichkeit.

Eine Darstellung des vollständigen Forschungsnetzwerks (mit allen Akteuren und Projekten sowie allen Brennstoffzell-Technologie-Kategorien) ist aufgrund der Übersichtlichkeit hier nicht gezeigt, sondern unter diesem Linkabrufbar.

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

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^{Abbildung 4: Netzwerkdiagramm für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen in Europa gemäß Förderung der EU, eingeschränkt auf Akteure mit mindestens fünf Projektbeteiligungen.}

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^{Abbildung 5: Netzwerkdiagramm für Hochtemperatur-Brennstoffzellen in Europa gemäß Förderung der EU; eingeschränkt auf Akteure mit mindestens fünf Projektbeteiligungen.}

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^{Abbildung 6: Netzwerkdiagramm für alternative Brennstoffzell-Technologien in Europa gemäß Förderung der EU.}

In Abbildung 6 ist das Forschungsnetzwerk für alternative Brennstoffzell-Technologien dargestellt. Aufgrund der insgesamt geringeren Anzahl an Projekten in dieser Kategorie wurde hier das vollständige Netzwerkdiagramm dargestellt.

Im Unterschied zu den Netzwerken in Abbildung 4 und Abbildung 5, in denen spezialisierte Unternehmen eine zentrale Rolle in der Forschung und Weiterentwicklung spielen, sind hier die meisten Unternehmen lediglich mit einzelnen Projektbeteiligungen vertreten. Große Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Italien und Deutschland haben in diesem Bereich die meisten Projektbeteiligungen.

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^{Abbildung 7: Brennstoffzellen-Projektvolumen nach Technologie und Förderschema.}

Abbildung 7 stellt die Fördermittel nach Technologien und den von der EU vergebenen Förderschemata dar, welche nach Art der Projekte vergeben werden. Über die Zeit erkennt man in den EU-Förderprogrammen verschiedenen Bezeichnungen für Förderinstrumente, die hier in den 4 Schemata zusammengefasst dargestellt sind.

Das Förderinstrument RIA (»Research and Innovation Action«), zu dem Projekte ab dem Jahr 2015 bei Cordis eingetragen sind, finanziert Forschungs- und Innovationsprojekte in frühen Entwicklungsphasen, etwa bei Grundlagenforschung oder Konzeptvalidierung. Hierfür wurden bislang über 500 Mio. € an EU-Mitteln vergeben.

IA (»Innovation Action«) zielt hingegen auf die späte Phase der Technologieentwicklung und fördert insbesondere Vorhaben zur Industrialisierung, etwa Pilotanlagen oder Prototypen.

Während RIA und IA Einzelförderformate sind, bündelt eine JTI (Joint Technology Initiative) EU- und Industriegelder in einem speziellen »Joint Undertaking«, um über mehrere Jahre strategische Forschungs- und Innovationsprojekte in einem klar definierten Technologiefeld voranzutreiben. Bis ins Jahr 2014 sind zu diesem Format Projekte verzeichnet. Ab 2015 lassen sich solche Formate in der Datenbank bei den IA (Innovation Actions) wiederfinden. Dieses Schema umfasst inzwischen über 500 Mio. € an Fördermitteln.

Auch für die Individualforschung zu Brennstoffzellen hat die EU mittlerweile fast 80 Mio. € Fördermittel bereitgestellt. Daher haben wir in der Kategorie »Individuals« die Förderprogramme MSCA (»Marie Skłodowska-Curie Actions«), in dem die Karriereentwicklung einzelner Personen unterstützt wird, sowie den ERC (European Research Council), der einzelne Forschende mit herausragenden Ideen fördert, zusammengefasst.

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^{Abbildung 1: Mengendarstellung (Venn-Diagramm) von Publikationen zu Brennstoffzellen und deren Zuordnung zu Technologie-Kategorien}

Insgesamt haben wir bis Juni 2024 150.391 Veröffentlichungen zu Brennstoffzellen identifiziert. Diese Zahl verdeutlicht das breite und anhaltende Interesse an der Technologie. Ein großer Teil der Publikationen beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung konkreter Brennstoffzellen-Technologien. Dabei zeigt sich ein deutlicher Schwerpunkt bei der Hochtemperatur-Technologie, die aufgrund des im Vergleich derzeit noch nicht so weit fortgeschrittenen Reifegrads erwartungsgemäß mehr im wissenschaftlichen Fokus steht. Auch für die Polymerelektrolyt-Technologie liegt eine beachtliche Anzahl an Publikationen vor. Zu alternativen Technologien finden wir etwa halb so viele Veröffentlichungen wie zur Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Darüber hinaus sind zahlreiche sich thematisch überschneidende Arbeiten sind zu erkennen, die meisten zu Hochtemperatur- und Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen.

In Abbildung 1 sind die absoluten Publikationszahlen sichtbar; um ein vollständiges Bild zu erhalten, lohn sich jedoch ein Blick auf die zeitliche Entwicklung der Publikationszahlen.

Abbildung 2 zeigt daher den Verlauf der Publikationsaktivitäten von 1980 bis heute. Die Differenzierung nach den genannten Technologie-Kategorien bietet dabei zusätzlichen Aufschluss über die jeweiligen Dynamiken.

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^{Abbildung 2: Zeitliche Entwicklung von Publikationen zu Brennstoffzellen nach Technologie-Kategorie.}

In den ersten 20 Jahren lässt sich eine vergleichsweise geringe Publikationsaktivität erkennen. Ab der Jahrtausendwende steigen die Zahlen stark an, der Anstieg ist annähernd linear. Ab etwa 2015 sind die Zahlen weiter zunehmend, wenn auch mit geringerer Dynamik. Die Aktivitäten zur Hochtemperatur-Brennstoffzelle beginnen früher als die der beiden anderen Technologie-Kategorien, die Polymerelektrolyt-Technologie holte dann aber in den frühen 2000er Jahren wieder auf.

Interessant ist nun der Vergleich mit den Zahlen zu Patentanmeldungen. Der zeitliche Verlauf von Patentanmeldungen ähnelt dem der Veröffentlichungen, der Anstieg findet etwa zeitgleich statt. Allerdings liegen die Patentzahlen für Polymerelektrolyt-Technologien deutlich über denen der Hochtemperatur-Technologien, während bei den Veröffentlichungen das umgekehrte Verhältnis zu beobachten ist. Diese Differenz lässt sich durch den unterschiedlichen Reifegrad der Technologien erklären. Für die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht eine fortgeschrittenere Marktreife, und es gibt zahlreiche industrielle Anwendungen, für die ein unternehmerischer Wettbewerb besteht. Daher verlagert sich die Forschung stärker auf angewandte Entwicklungen und konkrete Produkte, was sich in der Zunahme von Patentanmeldungen widerspiegelt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind dagegen noch weiter im Bereich der Grundlagenforschung angesiedelt, und somit ist die Kommerzialisierung weniger weit fortgeschritten, wodurch zwar viele wissenschaftliche Arbeiten, aber vergleichsweise weniger Patente entstehen.

Internationale Forschungsschwerpunkte zu Brennstoffzellen

Nach der Betrachtung der zeitlichen Entwicklung der Publikationszahlen sowie deren Differenzierung in Technologie-Kategorien untersuchen wir im Folgenden das weltweite Publikationsgeschehen zu Brennstoffzellen, um Innovationsdynamiken und nationale Schwerpunkte sichtbar zu machen. Dazu wurden die Veröffentlichungen nach nationaler Affiliation analysiert. Konkret nutzen wir die Korrespondenz- oder Arbeitsadresse der Autor:innen, um eine länderspezifische Zuordnung herzustellen.

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^{Abbildung 3: Führende Nationen zu Brennstoffzell-Publikationen. Ranking nach Land und Technologie.}

Abbildung 3 zeigt die Publikationszahlen der 10 aktivsten Nationen anhand der Affiliationen der Autoren und schlüsselt zusätzlich nach Technologie auf. An den vorderen Plätzen stehen eindeutig China und die USA, Deutschland belegt Rang 5. Mit dem Vereinigten Königreich, Italien und Frankreich gehören drei weitere europäische Länder zu den führenden Nationen. Für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle verzeichnen nahezu alle Nationen die meisten Publikationen.

Im Vergleich zu transnationalen Patentierungen, deren technologischer Schwerpunkt bei der reiferen Polymerelektrolyt-Technologie zu finden ist, liegt die Hochtemperatur-Brennstoffzelle im Fokus der wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Während sich das intellektuelle Eigentum bei der Analyse transnationaler Patentente (siehe Abschnitt »Patent-Analyse«) auf die führenden Nationen konzentriert, sind wissenschaftliche Veröffentlichungen international deutlich breiter verteilt. Dennoch liegt der globale Schwerpunk in China und den USA. Dort wurde jeweils so viel Output generiert wie im »Rest der Welt«, zusammengesetzt aus den hier nicht gezeigten und nicht europäischen Ländern. Würde man jedoch alle europäischen Nationen zusammenfassen, ergäbe sich mit über 30.000 Publikationen in dieser Analyse die Spitzenposition. Dies unterstreicht die zentrale Rolle Europas in der Brennstoffzellen-Forschung.

Die Publikationsaktivitäten zu Brennstoffzellen aller einzelnen Nationen zeigt die folgende Weltkarte.

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^{Abbildung 4: Globale Verteilung aller Publikationen zu Brennstoffzellen anhand der nationalen Affiliation. Die Animation zeigt die Akkumulation der Patente in jeder Nation über die Zeit.}

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^{Abbildung 5: Rangfolge der führenden Nationen bei Publikationen zu Brennstoffzellen anhand der nationalen Affiliation für 2023/2024 und Vergleichszeiträume.}

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^{Abbildung 6: Publikationen zu Brennstoffzellen mit Anteilen an industrieller Co-Autorenschaften über den gesamten erfassten Zeitraum (seit 1980).}

Abbildung 6 zeigt eine Analyse der Publikationsanteile mit industrieller Co-Autorenschaften für den Brennstoffzellenmarkt seit 1980. Die gestapelten Säulen bilden die Anzahl an Publikationen mit (hellblau) und ohne (grau) industrieller Co-Autorenschaften im jeweiligen Jahr ab. Aufgrund der logarithmischen Achse (rechts) ist hier für die Anteile der Publikationen mit industrieller Beteiligung an der Gesamtzahl keine Verhältnisbildung anhand der Säulenhöhe möglich. Der Anteil ist hier exklusiv kalkuliert, und der Verlauf ist auf linearer Achse (links) durch die dunkelblaue Linie dargestellt.

Der Verlauf des Publikationsanteils mit industrieller Co-Autorenschaft ist in den frühen Jahren aufgrund der geringeren absoluten Anzahl hoch und stark schwankend. Im weiteren Verlauf und mit steigenden Publikationszahlen reduzieren sich die Schwankungen und die Höhe des Anteils. Die Betrachtung der letzten 15 Jahre ergibt einen Trendwert von etwa 6% für Publikationen mit industrieller Co-Autorenschaft. Dieser Wert ist auch bei der Einzelbetrachtung aller Technologien etwa gleich. Im direkten Vergleich mit Graphen – hier liegt der Wert bei etwa 4% (siehe: Graphene Roadmap Briefs (No. 3): meta-market analysis 2023) – liegt der Brennstoffzell-Wert etwas darüber. Eine mögliche Ursache dafür könnte in der unterschiedlichen Marktreife der beiden Technologien liegen.

Interessant ist nun, welche Unternehmen hinter diesen genannten Publikationen mit industrieller Beteiligung stehen. Unter Berücksichtigung der genannten Limitierungen der Daten hinsichtlich Klassifikation und Vollständigkeit identifizieren wir auf Basis des bereinigten Datensatzes die wichtigsten Industrieakteure, die zu Brennstoffzellen veröffentlich haben.

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^{Abbildung 7: Unternehmens-Affiliationen zu Brennstoffzell-Publikationen nach Anzahl. Gezeigt werden sowohl die Top-10-Unternehmen nach Gesamt-Publikationen zu Brennstoffzellen als auch die Top-10 in den einzelnen Technologie-Kategorien.}

Abbildung 7 zeigt ein Ranking führender Unternehmen nach Anzahl der Publikationen mit industrieller Co-Autorenschaft. Die Darstellung zeigt die Top-10 Unternehmen nach Anzahl aller Publikationen zu Brennstoffzellen (gesamt). In drei weiteren Spalten sind die Publikationszahlen zu unseren Technologie-Kategorien aufgeführt. Auch hierzu ist ein Ranking berechnet und erweitert die Tabelle um die Unternehmen, die innerhalb der Technologie-Kategorien zu den Top-10 Unternehmen nach Publikationsanzahl gehören (erkennbar an den Technologien zugeordneten farblichen Hinterlegungen).

Die vordersten vier Platzierungen in dieser Auswertung werden klar von großen Automobilherstellern eingenommen. Unter den ersten zehn gelisteten Unternehmen sind auch weitere große industrielle Player wie General Electric, Siemens und Hitachi zu finden.

Auch bei dieser Auswertung zu Publikationen ist ein Vergleich mit unserer Patentanalyse zu Brennstoffzellen interessant. Einige der im Ranking der aktivsten Anmelder von transnationalen Brennstoffzell-Patenten (siehe Abbildung 6 im Abschnitt »Patent-Analyse«) unter den ersten zehn aufgeführten Unternehmen werden auch im Ranking zu Publikationen (Abbildung 7) auf den vorderen Plätzen identifiziert. Dazu gehören die japanischen Automobilhersteller wie Nissan und Toyota, hier an zweiter und dritter Stelle. Auch Daimler ist mit dem 12. Platz der Top-50 (unter diesem Link abrufbar) eines der führenden Unternehmen mit industrieller Beteiligung an Publikationen. Der in der Patentanalyse auf Platz zwei identifizierte Spezialanbieter zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen Fuel Cell Energy (USA) ist auch hier unter den TOP-10 Unternehmen mit Publikationen zu dieser Brennstoffzell-Technology wieder zu finden. Auch das im Bereich von Katalysatoren agierende Unternehmen Johnson Matthey (UK) mit ausgeprägtem IP-Portfolio im Bereich der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (in der Patentanalyse Platz 1 der Spezialanbieter in dieser Technology) liegt im Ranking der Brennstoffzell-Publikationen auf Platz 6.

Die in der bereits genannten Studie Graphene Roadmap Briefs (No. 3): meta-market analysis 2023 veröffentlichten Methodik lässt sich somit auf diese Technologie übertragen. Eine Weiterentwicklung und Verfeinerung dieser sowie eine gezielte Betrachtung der Spezialanbieter, die sich aus dem Datensatz der industriellen Beteiligungen an Publikationen zu Brennstoffzellen ableiten lassen, können wertvolle Einblicke in das Innovationsgeschehen im Brennstoffzellenbereich liefern. 

Die Entwicklung neuartiger Technologien stellt für viele Unternehmen der Industrie einen zentralen Aspekt ihrer wirtschaftlichen Tätigkeit dar – und soll langfristig deren Wettbewerbsfähigkeit und Existenz sichern. Daher kommt dem Schutz des daraus resultierenden geistigen Eigentums eine essentielle Bedeutung zu. Strukturierte Verfahren zur Patentanmeldung und -prüfung existieren primär auf nationaler Ebene.

Trotz großer Parallelen können erforderlicher Aufwand sowie Anreize zur Patentierung von Land zu Land sehr unterschiedlich ausfallen. Allerdings kann der Schutz eines nationalen Patents nach etablierten Regeln auf weitere Rechtsräume ausgedehnt werden. Dann entstehen sogenannte Patentfamilien, die aus zahlreichen nationalen Patenten mit analogem technischen Inhalt bestehen. Natürlich steigen die Kosten und der Aufwand mit der Anzahl der abzudeckenden Märkte, was sekundäre Motivationen für die Patentierung (Prestige, Karriere, Forschungsfinanzierung usw.) abseits der kommerziellen Verwertung durch technische Anwendung deutlich einschränkt. 

Eine fundierte Praxis bei der Patentanalyse erfordert daher die Berücksichtigung (ausschließlich) transnationaler Patente (welche mehrere nationale Märkte abdecken). In unserer Analyse betrachten wir Patentfamilien mit Anmeldungen beim Europäischen Patentamt (EPO) oder PCT-Anmeldungen bei der Weltorganisation für geistiges Eigentum (WIPO). Solche Anmeldungen zielen per Definition auf Märkte in vielen Nationen und verursachen daher hohe Anmeldekosten. Somit stellt die Recherche nach transnationalen Patenten eine belastbare Basis zum Vergleich nationaler Innovationssysteme dar.

Unsere Recherchen werden primär in der Datenbank World Patents Index (WPI) durchgeführt, da diese nach Patentfamilien gegliedert ist und eine sehr effektive Stichwortsuche ermöglicht. Letztere basiert vor allem auf einer zusätzlichen technischen Aufbereitung der Datensätze. Dazu fügen technischen Experten den Datensätzen zusätzliche Informationen– insbesondere  technologieorientierte Titel und Zusammenfassungen – bei. Ergänzend greifen wir auch auf die Datenbank PATSTAT des EPO zurück, die uns einen umfassenderen Datenzugriff erlaubt. Für die jüngsten Recherchen haben wir unsere Suchstrategie verfeinert und sie an die Kategorisierung der Brennstofftechnologien (siehe Abschnitt »Brennstoffzellen-Technologien«) angepasst.

Transnationale Patente zu Brennstoffzellen

Brennstoffzellen gelten als wichtiger Baustein einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft der Zukunft. Entsprechend wird ihre technologische Weiterentwicklung einen globalen Wettbewerb intensiv vorangetrieben.

^{© Fraunhofer ISI}

^{Abbildung 1: Mengendarstellung (Venn-Diagramm) transnationaler Patentanmeldungen zu Brennstoffzellen und deren Zuordnung zu Technologie-Kategorien.}

Abbildung 1 bietet einen Überblick über den Umfang transnationaler Patentanmeldungen, die daraus resultieren. Zunächst dient uns eine einfache Suchstrategie nach einschlägigen Patentklassen (bei Bedarf mit Einschränkung auf relevante Stichworte, insbesondere »Fuel Cell«) zur Ermittlung einer Obermenge von 32.000 transnationalen Patentfamilien zu Brennstoffzellen.

Viele dieser Erfindungen beziehen sich jedoch auf spezifische Anwendungsfelder (z. B. deren Einsatz in einem U-Boot) und sind nicht unmittelbar für eine technologiespezifische Analyse geeignet. Daher greifen wir auf verfeinerte Suchstrategien zurück, um Teilmengen zu isolieren, die den von uns definierten Technologiekategorien eindeutig zugeordnet werden können. Die Zuordnungen einer Erfindung zu mehreren Technologien hat in der Regel technische Gründe (z. B.  weil eine Komponente explizit zur Nutzung in mehreren Brennstoffzelltypen ausgelegt ist, oder sie explizit einen technischen Grenzbereich wie etwa Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen abdeckt), wird aber auch durch den rechtlichen Charakter der Patenttexten, welcher den technischen Kern der Erfindungen potenziell verschleiert, begünstigt.

Mit Hilfe des jeweiligen Prioritätsdatums können wir jeder Patentfamilie das Jahr der Erstanmeldung zuordnen und so die Entwicklung des globalen intellektuellen Eigentums im Brennstoffzellsektor über den Zeitverlauf auflösen (Abbildung 2) und dabei nach Technologie-Kategorien differenzieren.

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^{Abbildung 2: Zeitliche Entwicklung von Patentanmeldungen zu Brennstoffzellen nach Technologie-Kategorie.}

Abbildung 2 umfasst den Zeitraum vom Jahr 1980 bis zum Jahr 2022. Vor 1980 sind nur vereinzelte Patentanmeldungen zu verzeichnen, während nach 2022 aufgrund verzögerter Veröffentlichungen sowie nachträglicher Klassifizierungen nur unvollständige Daten vorliegen (erkennbar im Randbereich durch abfallende Tendenz der Anmeldungszahlen).

Schon in Abbildung 1 ist ein dominanter Anteil der Polymerelektrolyt-Technologie zu erkennen, doch erst hier wird die ausgeprägte Dynamik ihrer Entwicklung deutlich. Die Patentierung dazu begann erst in den 1990ern und löste schnell eine erhebliche Begeisterung für die Technologie aus, die in einem exponentiellen Anstieg der Anmeldungen um die Jahrtausendwende herum resultierte. Ab 2002 begann die Aktivität dann zu stagnieren und verharrt seither auf einem nach wie vor hohen Plateau von etwa 300 transnationalen Patentanmeldungen pro Jahr.

Auch zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen wurden in erheblichem Umfang Erfindungen patentiert, die Entwicklung begann hier jedoch schon in den 1980ern. Auch hier ist ein erheblicher Anstieg um die Jahrtausendwende deutlich erkennbar, seither werden jährlich meist über 200 transnationale Patente zu dieser Technologie angemeldet. Auch alternative Brennstoffzell-Technologien folgen einem ähnlichen Verlauf, jedoch erfuhren deren Anmeldungen seit ihrem Spitzenwert von knapp über 200 im Jahr 2006 einen langsamen Rückgang auf etwa 100 pro Jahr.

Regionaler Ursprung des intellektuellen Eigentums

Transnationale Patente gelten als international vergleichbares Maß für die Generierung intellektuellen Eigentums. Wir ordnen dabei jedem Patent ein Ursprungsland zu, in dem wir die Nationalität der Erfinder (auf Basis des Aufenthalts, nicht der Staatsangehörigkeit) ermitteln. (Ggf. ordnen wir Patente mit Erfindern in mehreren Ländern mehrfach zu.) Abbildung 3 zeigt für die fünf aktivsten Nationen jeweils die einschlägigen Patentzahlen je Technologie-Kategorie (sowie die Akkumulationen der verbleibenden transnationalen Patente für den Rest von Europa bzw. den Rest der Welt).

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^{Abbildung 3: Top 5 – Nationaler Ursprung transnationaler Patente zu Brennstoffzellen nach Technologie.}

Demnach nimmt Deutschland im Brennstoffzellsektor eine sehr starke Stellung ein, folgt nach Japan und den USA im weltweiten Vergleich klar auf Platz drei (gemessen an einschlägigen transnationalen Patenten). Insgesamt ist eine große Konzentration des intellektuellen Eigentums auf die führenden Nationen erkennbar.

So ist die Zahl der transnationalen Patente mit Ursprung in Europa (oder im verbleibenden Rest der Welt) abseits der Top-5 in Summe jeweils mit Deutschland allein vergleichbar. Ferner ist hervorzuheben, dass das kombinierte intellektuelle Eigentum in Europa im Vergleich der Weltregionen durchaus eine Spitzenposition einnimmt. 

Abbildung 4 zeigt eine genauere Differenzierung des globalen geistigen Eigentums im Brennstoffzellen-Kontext (auf Basis aller transnationaler Patentanmeldungen) nach nationalem Ursprung gemäß den oben etablierten Prinzipien.

Wir nutzen eine Weltkarte zur Visualisierung aller Nationen. Deren Färbung reflektiert dabei jeweils die Gesamtzahl aller Brennstoffzellen-Patentanmeldungen – unberücksichtigt von kategorisierten Technologie-Betrachtungen – aus dem jeweiligen Land. Die Animation dokumentiert dabei die Akkumulation der Erfindungen im Zeitverlauf. Über einen Slider kann der Stand bis zu jedem Prioritätsjahr jeweils gezielt angesteuert werden.

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^{Abbildung 4: Globale Verteilung aller transnationalen Patente zu Brennstoffzellen (basierend auf der Lokalisation der Erfinder). Die Animation zeigt die Akkumulation der Patente in jeder Nation über die Zeit.}

Einen deutlicheren Blick auf die Dynamiken in diesen Zeiträumen bietet Abbildung 5. Während die klassischen Automobilnationen Japan, USA und Deutschland über einen langen Zeitraum führende Nationen bei der globalen Verteilung transnationaler Patente waren, lässt sich deutlich erkennen, dass die Zahl transnationaler Patente mit Ursprung in China in den letzten 15 Jahren im Vergleich stark angewachsen ist.

Wie bereits in Abbildung 3 abzulesen ist, gehört Deutschland zu den aktivsten Ursprungsnationen und belegt hier seither eine Platzierung unter den Top 3. Im jüngsten Zeitraum dieser Betrachtung nimmt Deutschland sogar eine führende Position in diesem Ranking ein. Dies dürfte zum einen darauf zurückzuführen sein, dass Toyota als dominierendes Unternehmen für Brennstoffzellenfahrzeuge (siehe Abbildung 6) seine Patentaktivität reduziert und Patente strategisch geöffnet haben könnte, um anderen Herstellern einen Markthochlauf zu ermöglichen. Zum anderen spiegeln sich hierin die starken Investitionen in Forschung und Entwicklung in Deutschland wider, insbesondere im industriellen Sektor, unterstützt durch staatliche Förderprogramme.

^{© Fraunhofer ISI}

^{Abbildung 5: Rangfolge von Erfindernationen im Feld der Brennstoffzellen im zeitlichen Vergleich}

^{© Fraunhofer ISI}

^{Abbildung 6: Aktivste Anmelder von transnationalen Brennstoffzell-Patenten nach diversen Kriterien}

Konkret zeigt Abbildung 6 die aktivsten Anmelder von transnationalen Patenten im Brennstoffzellsektor. Die dargestellte Rangfolge wird dabei bestimmt nach Anzahl aller Patentanmeldungen der Institution im Brennstoffzell-Kontext. Für jeden gezeigten Anmelder wird zudem jeweils die Zahl der Patente ausgewiesen, die wir explizit einer Technologie-Kategorie zuordnen können.

Explizit wurden in Abbildung 6 jeweils die Top-10 Anmelder nach Gesamtzahl, sowie innerhalb jeder Technologie Kategorie (Felder jeweils farblich hinterlegt). Zusätzlich sind alle europäischen Akteure unter den Top-30 durch eine blau hinterlegte Flagge markiert.

Es ist klar zu erkennen, dass Automobilhersteller im Vergleich zur Betrachtung im Jahr 2023 weiterhin das Ranking dominieren. Japanische Anbieter treten dabei besonders hervor, was eine starke Präferenz für die Brennstoffzelle als automobile Antriebsoption des Landes unterstreicht. Dennoch sind für nahezu alle Automobilhersteller in dieser Liste kaum noch zusätzliche Patentanmeldungen zu verzeichnen, was auf einen schrittweisen Rückzug aus der Brennstoffzellen-Technologie im automobilen Bereich hindeutet.

Einen deutlichen Zuwachs verzeichnet man bei Bosch im Bereich der Polymerelektrolyt-Technologie. Das Unternehmen investiert stark in die Entwicklung von Brennstoffzellen für unterschiedliche Anwendungen, unter anderem für Nutzfahrzeuge und stationäre Energieversorgung. Daneben haben einige große Forschungseinrichtungen (z. B. CEA, FZJ, CNRS) Eingang ins Ranking gefunden, sowie große Technologiekonzerne auch ohne expliziten Automobilbezug (z. B. Matsushita, Siemens, Samsung). All diese Akteure treten tendenziell als Generalisten auf, sowohl in Bezug auf die Art der Brennstoffzell-Technologie (durchweg hohe Werte) als auch im Aufbau umfangreicher Patentportfolios (siehe unten).

Aber das Ranking enthält auch wenige Spezialanbieter, die sich augenscheinlich auf die Polymerelektrolyt- (LG, Kolon, 3M) bzw. Hochtemperatur-Technologie (Kyocera, NGK Insulators, Bloom Energy) konzentrieren. Dabei handelt sich teils um kleinere Firmen, die Brennstoffzellen besonders in ihrem Geschäftsmodell verankert haben, teils aber auch um Materialhersteller und Zulieferer, die spezifische Schlüsselkomponenten entwickeln.

Akteure: Spezialanbieter

Vermutlich leisten die oben genannten Spezialanbieter einen erheblichen Beitrag zur Innovation im Brennstoffzellsektor, allerdings werden solche Akteure in Abbildung 6 nur vereinzelt sichtbar. Bei einer rein mengenmäßigen Analyse der Patentdaten (wie in Abbildung 6 gezeigt) werden sie wahrscheinlich nicht auf vorderen Rängen landen.

Dafür lassen sich zahlreiche Ursachen finden. Häufig handelt es sich um relativ junge Unternehmen (Start-Ups, Spin-Offs von Forschungseinrichtungen etc.), die dann zwar meist technologiegetrieben, aber eben auch noch relativ klein sind. Sie verfügen also tendenziell über eine geringe Zahl von Patenten, die aber potenziell zentrale technische Aspekte abdecken und somit als besonders relevant einzustufen wären.

Im Gegensatz dazu sammeln große multinationale Unternehmen oft systematisch erhebliche Patent-Portfolios an, ohne dass im Einzelfall immer das unmittelbare Anwendungsinteresse zwingend direkt im Vordergrund steht. Eine genaue inhaltliche Prüfung und Bewertung aller potenziell relevanten Patente hinsichtlich ihrer spezifischen Relevanz ist jedoch höchst aufwändig und impraktikabel (tiefes Expertenwissen erforderlich, Verschleierung der technischen Inhalte durch rechtlichen Charakter der Patenttexte). 

Als praktikable Alternative entwickelt das Fraunhofer ISI Strategien zur gezielten Identifikation von Spezialanbietern anhand von Patentdaten. Für jeden einschlägigen Anmelder können wir systematisch in Patentdatenbanken u. a. folgende Größen abfragen: 

• n_s: Anzahl spezifischer Patente, also z. B. zu Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
• n_k: Anzahl der Patente im Kontext (von Brennstoffzellen allgemein) 
• n_a: Anzahl aller Patentanmeldungen der Entität (ohne inhaltliche Filter) 

Spezialanbietern unterstellen wir eine gewisse Fokussierung auf genau die untersuchte Technologie (im Beispiel als Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen), die wir als Verhältnis n_s / n_a ausdrücken und berechnen können.

Eine direkte Verwendung dieser Fokussierung als Auswahlkriterium für Spezialanbieter erweist sich allerdings nicht als zielführend. Bei einer solchen Statistik werden sporadische Anmelder mit einem einzigen einschlägigen Patent (oder ggf. sehr wenigen) überproportional hervorgehoben. Dabei handelt es sich dann oft um Privatpersonen, die sich eine Idee individuell schützen lassen, aber in der Regel nicht über die Mittel für deren Kommerzialisierung verfügen.

Als Alternative entwickelt das Fraunhofer ISI ein Scoring-System, welches gezielt Patentprofile von Spezialanbietern, also kleinen Unternehmen mit nur wenigen, tendenziell aber besonders relevanten Patenten hervorhebt. Ziel ist dabei vor allem eine gewisse Balance zwischen Quantität und Fokussierung herzustellen. 

Spezialisten: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle

Konkret berechnen wir unter Berücksichtigung der oben genannten Größen und bestimmten Schwellwerten für jeden relevanten Anmelder transnationaler Patente einen Scoring-Wert. Das Verfahren zur Berechnung (insb. die Auswahl zielführender Parameter) entwickeln wir laufend weiter. Die Höhe eines individuellen Scoring-Werts hat dabei keinerlei inhaltliche Aussagekraft. Er dient ausschließlich als ein Maß, das eine Rangfolge unter den Anmeldern herstellt, welches typische Spezialanbieter hervorhebt. Abbildung 7 zeigt das Ergebnis dieser Analyse für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. 

^{© Fraunhofer ISI}

^{Abbildung 7: Spezialanbieter im Kontext von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen auf Basis transnationaler Patentanmeldungen. Gezeigt werden sowohl die Top-10 im globalen Vergleich als auch die Top-10 der Anmelder auch Europa je nach erreichten Scoring-Wert also auch die Top-3 gemäß Anzahl von Brennstoffzell-Patenten allgemein (als Vergleich).}

Im Detail weist Abbildung 7 die erzielten Scoring-Werte ausgewählter Anmelder von transnationalen Patenten zu Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen aus. Enthalten sind sowohl die zehn höchstplatzierten Anmelder im globalen Vergleich als auch die zehn höchstplatzierten Anmelder aus Europa (blau hinterlegte Flagge) sowie die Top-3 nach Anzahl allgemeiner Brennstoffzell-Patente (grün hinterlegt, vgl. Abbildung 6) als Vergleichsgröße.

Zielgemäß rangieren Spezialisten aus Abbildung 6 (UTC Power, Intelligent Energy) auf den Spitzenpositionen, ebenso wie andere einschlägig bekannte Akteure (z. B. Ballard Power) mit vergleichbaren Patentprofilen. Großkonzerne treten indirekt auf, falls sie einschlägige Tochterfirmen gegründet haben (z. B. Johnson Matthey, BASF). Vor allem werden auch Anbieter mit kleinen, aber sehr spezifischem IP-Portfolio hervorgehoben (z. B. Advent Tech, Greenerity).

Hier gilt zu berücksichtigen, dass die Zuordnung der Patente auf Basis der Daten bei Antragstellung basiert. Eigentumsverhältnisse (z. B. Mutter-/Tochterfirmen) und deren Änderung (Umbenennung, Übernahmen, Fusionen) können dabei nicht systematisch berücksichtigt werden. In Abbildung 7 finden sich z. B. zwei Einträge von BASF-Töchtern (auf Rang 9 und 13), die auf eine Namensänderung zurückzuführen ist, während das operative Geschäft von UTC Power (Rang 3) nach Übernahme und Insolvenz inzwischen längst in Doosan Fuel Cell America aufgegangen ist.

Im Vergleich zu ausgewiesen Spezialanbietern erreichen Großkonzerne (wie Toyota, Bosch, Matsushita) aufgrund ihrer breiter gestreuten Patent-Pools in diesem Ranking weniger hohe Platzierungen. Natürlich schmälert dies keinesfalls deren Relevanz als Akteure am Markt für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Das Scoring in Abbildung 7 stellt an sich keinerlei Wertung dar, sondern dient ausschließlich der schnellen Identifikation von Akteuren, die vermutlich mit dem Profil eines Spezialanbieters am Markt aktiv sind. Somit ist es als Ergänzung zu der in Abbildung 6 gezeigten absoluten Auswertung zu sehen.

Spezialisten: Hochtemperaturbrennstoffzelle

In Analogie zur Abbildung 7 verwenden wir das gleiche Scoring-Verfahren zur Identifikation potenzieller Spezialanbieter für Hochtemperatur-Brennstoffzellen. 

^{© Fraunhofer ISI}

^{Abbildung 8: Spezialanbieter im Kontext von Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf Basis transnationaler Patentanmeldungen. Gezeigt werden sowohl die Top-10 im globalen Vergleich als auch die Top-10 der Anmelder auch Europa je nach erreichten Scoring-Wert?? also auch die Top-3 gemäß Anzahl von Brennstoffzell-Patenten allgemein (als Vergleich).}

Im Detail weist Abbildung 8 die erzielten Scoring-Werte ausgewählter Anmelder von transnationalen Patenten zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen aus: Enthalten sind sowohl die zehn höchstplatzierten Anmelder im globalen Bereich als auch die zehn höchstplatzierten Anmelder aus Europa (blau hinterlegte Flagge), sowie die Top-3 nach Anzahl von Brennstoffzell-Patenten (grün hinterlegt, vgl. Abbildung 6) zum Vergleich.

Auch hier nimmt das bereits in Abbildung 6 identifizierte Unternehmen Fuelcell Energy eine Spitzenposition ein, die in Abbildung 8 mit Bloom Energy nur von einem einzigen Unternehmen mit nahezu vergleichbarem Profil übertroffen wird. Letztere weist eine noch etwas größere Fokussierung auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf. Dagegen erscheinen die Firmen Kyocera und NGK Insulators auf Basis des Scorings nicht unter den Top 10, da sie über vielfältige Patente abseits von Brennstoffzell-Technologie verfügen.

Darüber hinaus zeigt Abbildung 8 noch zahlreiche weitere Spezialanbieter von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Ceres, Convion, Topsoe etc.). Natürlich können ggf. auch anders fokussierte Unternehmen relativ hohe Werte erzielen, wenn sie insgesamt ein entsprechendes Patent-Portfolio aufweisen (UTC Power, Intelligent Energy).

Der Themenkomplex Wasserstoff – insbesondere dessen Erzeugung und Nutzung – ist Gegenstand zahlreicher Marktstudien. Dabei liegt der Fokus auf der Brennstoffzelle, die als zentrale Schlüsseltechnologie innerhalb der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft gilt und somit die Grundlage der nachfolgenden Meta-Markt-Analyse bildet. Der Zugang zu vollständigen kommerziellen Marktstudien ist jedoch meist mit hohen Kosten verbunden, was die Möglichkeiten für systematische und vergleichende Auswertungen deutlich einschränkt. Allerdings veröffentlichen viele Anbieter aus werblichen Gründen ausgewählte Inhalte, die öffentlich zugänglich sind. Diese umfassen in der Regel aggregierte Angaben zum Marktvolumen, Prognosen zur Marktentwicklung sowie exemplarische Nennungen relevanter Marktakteure. Für die vorliegende Meta-Markt-Analyse wurden relevante Prognosedaten aus insgesamt 45 Marktstudien aus den Jahren 2022 bis 2025 zum Brennstoffzellenmarkt ausgewertet (Stand: Mai 2025).

Brennstoffzellen-Technologien

Häufig werden in Marktstudien die unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen-Technologien genannt: (a) Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, (b) Hochtemperatur-Brennstoffzellen (in der Regel unterteilt in Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, Festoxid-Brennstoffzelle, Phosphorsäure-Brennstoffzelle) und (c) andere Brennstoffzellen-Technologien. Auch wenn nur wenige Marktstudien konkrete Zahlen nennen, stimmen die Marktstudien darin überein, dass Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen mit einem Marktanteil von über 60 Prozent die dominierende Technologie sind. Gefolgt von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einem Marktanteil zwischen 35 und 40 Prozent. Andere Brennstoffzellen-Technologien spielen nur eine untergeordnete Rolle.

Die industrielle Skalierung der Produktion ist ein kritischer Schritt hin zur breiten Diffusion neuer Technologien. Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gilt als eine nachhaltige Antriebsoption im Verkehrssektor, besonders für den straßengebundenen Schwerlastverkehr. Deshalb bringen sich weltweit viele Firmen in Position, um die erwartete Nachfrage bedienen zu können. Parallel zu intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit werden neue Produktionskapazitäten für Brennstoffzellen, -systeme und -komponenten aufgebaut bzw. bestehende Kapazitäten erweitert.

Wir verfolgen die Dynamik industrieller Investitionen durch den Aufbau einer Datenbank, in der Ankündigungen zum Aufbau von Produktionskapazitäten in diesem Feld gesammelt werden. Als Quellen verwenden wir öffentlich zugänglich Informationen wie Pressemitteillungen und Nachrichtenbeiträge, kommerzielle Marktdatenbanken sowie Informationen aus Gesprächen mit Expert:innen, die entsprechende Einblicke in die Aktivitäten haben. 

Die folgende Analyse diskutiert die antizipierten angekündigten Investitionen in Produktionskapazitäten für PEM-Brennstoffzellsysteme und leitet Szenarien für einen möglichen Produktionshochlauf ab.

Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Der Stack eines PEM-Brennstoffzellensystems (PEMFC) setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen. Zu den zentralen, sich in jeder Zelle wiederholenden Bauteilen zählen die Bipolarplatten (BPP), die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) (inklusive der Gasdiffusionslage, GDL) und die Dichtungen. Insbesondere die MEA und die BPP sind hochkomplexe Komponenten, die präzise aufeinander abgestimmt sein müssen. 

Zur umfassenden Einordnung werden im Folgenden basierend auf einer breiten Literaturrecherche und Experteninterviews die Funktionsprinzipien der wesentlichen Komponenten und verschiedene Ansätze hinsichtlich der Materialwahl sowie Kostentreiber- und Entwicklungspotentiale dargestellt.

[1] Advancing next-generation proton-exchange membrane fuel cell development in multi-physics transfer, Guobin Zhang et al. (2024), https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.11.015

[2] Advancements in cathode catalyst and cathode layer design for proton exchange membrane fuel cells, Yanyan Sun et al. (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-021-25911-x

[3] Materials for electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cell: A brief review, A.S. Alabi et al. (2023), https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1091105

[4] Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells – A review Yun Wang et al. (2020), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.06.005

[5] Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells, Kui Jiao et al (2021), https://doi.org/10.1038/s41586-021-03482-7

[6] Recent Advances on PEM Fuel Cells: From Key Materials to Membrane Electrode Assembly, Shanyun Mo et al. (2023), https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-023-00190-w

[7] Gas diffusion layers for PEM fuel cells: Materials, properties and manufacturing – A review, Grigoria Athanasaki et al. (2023),  https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.058

[9] Design and manufacturing of end plates of a 5 kW PEM fuel cell, S. Asghari et al. (2010), https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.02.135

[10] Optimization of proton exchange membrane fuel cell’s end plates, Mostafa Habibnia et al. (2020), https://doi.org/10.1007/s42452-020-3177-2

[11] An equivalent mechanical model investigating endplates deflection for PEM fuel cell stack, Zhiming Zhang et al. (2021), https://doi.org/10.1177/16878140211030039

[12] Study of PEM Fuel Cell End Plate Design by Structural Analysis Based on Contact Pressure, Tapobrata Dey et al. (2018), https://doi.org/10.1155/2019/3821082

[13] Optimization and design for additive manufacturing of a fuel cell end plate, Dirk Herzog et al. (2022), https://doi.org/10.2351/7.0000789

[14] Planar current collector design and fabrication for proton exchange membrane fuel cell, Yean-Der Kuan et al. (2018), https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.12.178

[15] Development and Analysis of Current Collectors for Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Aneesh Jose et al. (2024), http://dx.doi.org/10.12913/22998624/192333

[16] Experimental Investigation on the Adverse Efect of Corrosion in the Current Collectors on the Performance of PEM Fuel Cells, N. Allwyn Blessing Johnson et al. (2022), https://doi.org/10.1007/s41403-022-00352-0

[17] Analysis and optimization of current collecting systems in PEM fuel cells, Peiwen Li et al. (2012), https://doi.org/10.1186/2251-6832-3-2

[18] Manufacturing Cost Analysis of Fuel Cells for Material Handling Applications, Vince Contini et al. (2023), https://www.energy.gov/eere/fuelcells/articles/automotive-and-mhe-fuel-cell-system-cost-analysis

[19] Fuel cell system production cost modeling and analysis, Achim Kampker et al. (2022), https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.10.364

[20] Wie Brennstoffzellen wirtschaftlich produziert werden können, Thomas Siebel (2022), https://www.springerprofessional.de/brennstoffzelle/wasserstoff/wie-brennstoffzellen-wirtschaftlich-produziert-werden-koennen/20352222

[21] Wertschöpfungskette Brennstoffzelle, NOW GmbH (2022), https://www.now-gmbh.de/wp-content/uploads/2022/08/NOW_Wertschoepfungskette-Brennstoffzelle.pdf

[22] Technologischer Deep-Dive | Die Bipolarplatte der PEM-Brennstoffzelle, NOW GmbH, Fraunhofer IPT, RWTH Aachen (2022), https://www.now-gmbh.de/wp-content/uploads/2022/10/Deep-Dive_Bipolarplatte.pdf

[23] FUEL CELL CATALYST MATERIALS - NON-PRECIOUS METAL CATALYST, Ballard Power Systems Inc.,  https://www.ballard.com/wp-content/uploads/2024/10/fuel-cell-catalyst-materials.pdf