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Ein Elektrolyseur ist allgemein eine Vorrichtung zur Trennung bzw. Zersetzung und auch Umwandlung eines Stoffs bzw. Moleküls (Redoxreaktion) mit Hilfe elektrischen Stroms. In einem Wasserelektrolyseur werden daher Wassermoleküle (H₂O) in Wasserstoffmoleküle (H₂) und Sauerstoffmoleküle (O₂) umgewandelt.

Die eigentliche Reaktion findet dabei in elektrochemischen Zellen bei Spannungen von ca. 1,4 V statt. Aus Praktikabilitätsgründen stapelt man eine Vielzahl solcher Zellen (elektrische Reihenschaltung) zu sogenannten Stacks. Die gesamte Peripherie um die elektrochemischen Zellen werden unter dem Begriff „Balance of Plant“ subsummiert.

Balance of Plant (BOP) ist ein Begriff, der im Allgemeinen im Zusammenhang mit der Energietechnik verwendet wird. Er bezeichnet alle unterstützenden Komponenten und Hilfssysteme, die für die Umwandlung der Energie benötigt werden – mit Ausnahme der Erzeugungs- bzw. Umwandlungseinheit selbst.

Dazu gehören bei Elektrolyseuren Energiemanagement (Transformatoren, Wechselrichter, Leistungsregler usw.), Fluid- und Gasmanagement (Wasseraufbereitung, Trennung von Flüssig- und Gasphase, Gastrocknung, Gasverdichtung) sowie Thermomanagement (Kühlsystem für Leistungselektronik, Stack und Kondensationstrocknung).

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – der Anode (Wasserstoffseite) und Kathode (Luftseite). Die beiden Elektroden sind durch ein Elektrolyt getrennt. Bei der PEM-Brennstoffzelle ist dies eine semipermeable Membran, die nur für Protonen durchlässig ist.

Der Wasserstoff wird an der Anode zugeführt. Dieser wird dann mithilfe eines Katalysators (meist Platin) in Protonen und Elektronen aufgeteilt. Die Protonen wandern dann durch die Membran zur Kathode. Die Elektronen fließen wiederum über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode und liefern somit die elektrische Energie. An der Kathode vereinen sich Protonen und Elektroden zusammen mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu Wasser.

Der Begriff „elektrochemische Zelle“ ist ein Oberbegriff für verschiedene Typen, wie beispielsweise Elektrolysezelle, Akkumulatorzelle oder auch Batterie- oder Galvanische Zelle. Teilweise können solche Zellen reversibel betrieben werden, wie beispielsweise Akkumulatorzellen. Diese können geladen und entladen werden – das bedeutet, sie können elektrische Energie in chemische Energie umwandeln und wieder als elektrische Energie freisetzen. Analog können auch bestimmte Formen von Elektrolysezellen als Brennstoffzellen betrieben werden. Folglich werden durch die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser elektrische Energie und Wärme freigesetzt.

Elektrolyse- und Brennstoffzellen bestehen aus sogenannten Bipolarplatten, Elektroden und je nach Technologie Gasdiffusionslagen (GDL) und Membranen. Bei Verwendung von „Proton- / Anion Exchange Membrane“ (PEM / AEM ) werden diese oft direkt mit den Elektroden verbunden und als „Membrane Exchange Assembly“ (MEA) bezeichnet.

Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) wird unterschiedlich interpretiert. Teilweise versteht man darunter nur die Membran mit darauf beschichteten Katalysatorlagen (auf einer Seite für die Kathodenreaktion; auf der anderen Seite für die Anodenreaktion). Häufig jedoch bezieht man die Gasdiffusionslage(n) mit ein, da diese ebenfalls elektrisch leitfähig sein muss.

Die Membran besteht je nach Technologie aus verschiedenen Polymeren oder Keramiken, die jeweils selektiv Protonen, Anionen (z. B. Hydroxidanionen = OH) oder Sauerstoff transportieren können. Die Gasdiffusionslage(n) dienen dazu, die entstehenden (Elektrolyse) insbesondere aber die verwendeten (Brennstoffzelle) Gase von den Reaktionsorten (Katalysatorlagen) möglichst homogen weg- bzw. hinzutransportieren. Über Kanäle in den Bipolarplatten werden diese Gase dann aus der elektrochemischen Zelle heraus- bzw. eingeleitet.

Die Bipolarplatte hat in einer Mehrfachzellen- bzw. Stapel-Konfiguration vor allem die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch leitend zu verbinden. Daneben ist die Bipolarplatte in der Brennstoffzelle dafür zuständig, die Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu sind in die Platten auf beiden Seiten Strömungsprofile (Flowfield) gefräst oder eingepresst, durch die auf der einen Seite Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite Luft zugeführt wird.

Eine Bipolarplatte besteht aus den beiden Polen einer einzelnen Brennstoffzelle: der wasserstoffführenden Anodenplatte (der negative (-)-Pol) und der Kathodenplatte (der positive (+)-Pol) für die Zuführung der Reaktionsluft. Die Platten regeln auch die Abfuhr von Wasserdampf bzw. Abgabe von thermischer und elektrischer Energie. In der Elektrolysezelle dienen sie hauptsächlich dazu, den Elektrolyseur zu kühlen, der Anodenseite Reaktionsgase zuzuführen und den Wasserstoff und die Gase abzuführen, die während der Reaktion entstehen.

Als Stack bezeichnet man in der Elektrolyse und auch Brennstoffzellentechnologie einen Stapel in Reihe geschalteter elektrochemischer Zellen, einschließlich der Einhausung bzw. des Rahmens oder Verspannungselements. Durch die Reihenschaltung ist es möglich, die Versorgungsspannung zu erhöhen und so den Strom bei gleicher Leistungsaufnahme gemäß P=U*I zu verringern. Unabhängig davon wird durch die Reihenschaltung zu einem Stack auch der Gesamtaufbau des Systems vereinfacht.

Gasförmiger Wasserstoff lässt sich nach dem Verdichten bei hohem Druck in einem Tank speichern. Im Verkehr hat sich beispielsweise ein Druckniveau von 350 bar für Nutzfahrzeuge und 700 bar für PKWs durchgesetzt. Bei 700 bar beträgt die Dichte ca. 40 kg/m³ (24 kg/m³ bei 350 bar). Der Hochdruckspeicher bietet für kleine Speichermengen eine günstige Lösung und wird daher vor allem in mobilen Anwendungen, wie PKWs und Nutzfahrzeuge eingesetzt.
Gegenwärtig existieren vier verschiedene Druckbehältertypen auf dem Markt:

• Typ 1: Druckbehälter besteht lediglich aus einer metallischen (i.d.R. stählernen) Wandung. Nenndrücke liegen im Bereich von 200 bar.
• Typ 2: Druckbehälter besitzen neben der metallischen Wandung eine Ummantelung aus harzgetränkter Glas- oder Kohlefaser mit einem Nenndruck bis 1000 bar.
• Typ 3: Behälter besitzen einen Liner aus Metall (meistens Aluminium) und eine Ummantelung aus Kohlefaser, um den gesamten Behälter herum. Nenndrücke sind typischerweise 350 oder 700 bar.
• Typ 4: Druckspeicher besitzen einen Liner aus Kunststoff (typischerweise Polyamid- oder Polyethylen) und die Ummantelung besteht, wie beim Typ 3 Behälter, üblicherweise aus Kohlefasern. Nenndrücke sind üblicherweise 350, 500 oder 700 bar.

Im Vergleich zur gasförmigen Wasserstoffspeicherung bietet Flüssigwasserstoff als Treibstoff Vorteile hinsichtlich der Energiedichte (71 kg/m³). Außerdem kann der Druck im Tank niedrig gehalten werden. Dies wirkt sich positiv auf das Tanksystem hinsichtlich Gewicht und Platzbedarf des Speichers, dessen Kosten (besonders bei großen Speichermengen) und der Sicherheit aus.

Die Herstellungskosten des kryogenen Wasserstoffs (-253 °C) sind jedoch nicht unerheblich. Außerdem erwärmt sich der Wasserstoff, wenn er nicht dauerhaft gekühlt wird. Dies führt zu einer Druckerhöhung innerhalb der Tanks. Hierdurch kann es zu so genannten „Boil-Off“-Verlusten kommen, das bedeutet das Ablasen des gasförmigen Wasserstoffs in die Umgebung.

Der Wasserstoffverbrennungsmotor ist ein Gasmotor, der anstatt mit flüssigem Kraftstoff (wie Benzin oder Diesel) mit gasförmigen Wasserstoff betrieben wird. Es gibt reine Wasserstoffverbrennungsmotoren, die mit reinem Wasserstoff angetrieben werden. Ebenso gibt es Bi-Fuel-Wasserstoffmotoren, die mit einem Kraftstoffgemisch aus Wasserstoff und anderen Gasen (wie Methan oder Erdgas) angetrieben werden.

Der Wasserstoffverbrennungsmotor gilt als Alternative zur Brennstoffzelle, da bestehende Verbrennungsmotoren mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand umgerüstet werden können. Studien zeigen jedoch, dass sich der Kostenvorteil mit dem Hochlauf der Brennstoffzelle deutlich verringern wird. Darüber hinaus kämpft der Wasserstoffverbrennungsmotor mit einem geringeren Wirkungsgrad, einem höheren Wartungsaufwand und dem Label, nicht 100 % CO₂-neutral zu sein.

Das „Fuel Cell Electric Vehicle“ (FCEV) wird ebenso wie ein reines „Battery Electric Vehicle“ (BEV) ausschließlich durch einen Elektromotor angetrieben.

Anders als beim BEV wird die dazu notwendige elektrische Energie jedoch nicht über eine große Antriebsbatterie (sogenannte Traktionsbatterie) zur Verfügung gestellt. Stattdessen wird sie durch die Umwandlung chemischer Energie aus dem alternativen Energieträger Wasserstoff in elektrische Energie zur Verfügung gestellt – möglich macht dies die Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen sind heutzutage noch nicht für so schnelle und dauerhafte Lastwechsel wie Verbrennungsmotoren ausgelegt. Deswegen wird zusätzlich eine (kleine) Antriebsbatterie verbaut, die bei geringem Lastabruf gespeist wird und bei hohem Lastabruf zusätzliche Energie liefert. Dadurch kann die Brennstoffzelle im Fahrbetrieb des FCEV auf relativ konstanter Last gefahren werden.

Brennstoffzellen-Kraftwerke (BSZ-K) mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und auch Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke (BSZ-BHKW) zeichnen sich durch einen sehr guten Gesamtwirkungsgrad aus. Je nach eingesetzter Brennstoffzellentechnologie liegt der elektrische Wirkungsgrad heutzutage bei 30-60 %. Der Gesamtwirkungsgrad kann über 95 % betragen, da Strom und Wärme direkt aus der elektrochemischen Reaktion ohne weitere Umwandlungsschritte entstehen.

Brennstoffzellenkraftwerke wurden bislang vor allem im Leistungsbereich von 10 kW bis 3 MW entwickelt. In den letzten Jahren geht die Entwicklung im unteren Leistungsbereich jedoch verstärkt in Richtung Mikro- und Nano-BSZ-BHKW mit 0,3-1,5 kW elektrischer und 0,6-2,0 kW thermischer Leistung für Ein- und Zweifamilienhäuser. Im oberen Leistungsbereich sind bereits jetzt Kraftwerke mit rund 80 MW realisiert, was durch modulare Bauweise in den nächsten Jahren noch gesteigert werden soll.

Power-to-X (auch PtX oder P2X genannt) steht für die technologieoffene Nutzung von Stromüberschüssen variabler erneuerbarer Energien. Dabei können diese Überschüsse beispielsweise direkt in Batterien gespeichert (Power-to-Power), in Wärme umgewandelt (Power-to-Heat) oder zur Herstellung chemischer Energieträger (Power-to-Gas, Power-to-Liquid) eingesetzt werden.

Dient der überschüssige Strom zur Herstellung chemischer Energieträger, so wird oft weiter differenziert (z. B. Power-to-Hydrogen, Power-to-Syngas, Power-to-Ammonia, Power-to-Fuel).

Ammoniak (NH3) ist eine chemische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff, welche unter Normalbedingungen gasförmig vorliegt. Seit der Entwicklung der Stickstoffdüngung durch Justus Liebig (um 1840) ist sie eine der wichtigsten Grundchemikalien. Doch erst der industrielle Einsatz des Haber-Bosch Verfahrens bei BASF in Ludwigshafen um 1913 erlaubte eine signifikante Steigerung der Jahresproduktion. Heute ist Ammoniak eine der meistproduzierten Chemikalien (146,5 Millionen Tonnen in 2021, davon 80 % für Dünger) und Basis für die Herstellung aller weiteren Stickstoffverbindungen.

In Hinblick auf die sich entwickelnde, nachhaltige Wasserstoffwirtschaft ist mit einer weiteren Steigerung der jährlichen Ammoniakproduktion zu rechnen. Der Grund: Für Transport und Lagerung bietet es sich besser an als reiner Wasserstoff.

Durch den recht hohen Siedepunkt von -33 °C ist es deutlich einfacher und kostengünstiger Ammoniak statt Wasserstoff (Siedepunkt -252 °C) zu verflüssigen. Auch der höhere volumetrische Brennwert von Ammonik im Vergleich zu Wasserstoff (3,2 kWh/l gegenüber 2,8 kWh/l) ist insbesondere für die Transportlogistik von hoher Relevanz.