Bei Brennstoffzellen von in Europa kommerziell verfügbaren Linienbussen handelt es sich ausschließlich um sog. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (kurz PEMFC für Proton Exchange Membrane Fuel Cell). PEM-Brennstoffzellen bestehen aus zwei durch eine Membran getrennte Elektroden. Die Membran dient dabei als Ionenleiter, wobei nur die Wasserstoffprotonen durchgelassen werden, um mit zuvor durch Elektronen reduziertem Sauerstoff der Luft eine chemische Reaktion einzugehen. Als Abprodukte entstehen bei diesem Vorgang Wasser und Wärme.
PEM-Brennstoffzellen haben auf Zellebene einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 60 %, der jedoch durch periphere Systeme (z. B. Kühlung) noch deutlich herabgesetzt wird. Die Betriebstemperaturen von PEM-Brennstoffzellen liegen im Bereich von 60 – 90°C, weshalb die Abwärme für das Heizen der Fahrzeuge genutzt werden kann.
Verfügbare Angaben zu spezifischen Wasserstoffverbräuchen schwanken stark und liegen für Solobusse zwischen etwa 6,5 – 9,5 kg / 100 km, sofern die Brennstoffzelle als Hauptenergiequelle und nicht als Range-Extender dient. Je nach Bezugskosten für Wasserstoff ergeben sich je nach Fahrbedingungen somit Energiekosten von etwa 35 – 85 € / 100 km und eine Reichweite von ca. 300 – 400 km.
Aufgrund der Empfindlichkeit der Membran gegenüber Verschmutzungen benötigen PEM-Brennstoffzellen sehr reinen Wasserstoff, was in der Norm SAE J2719 geregelt ist. Abweichungen davon können von Hersteller zu Hersteller möglich sein. Da sehr reiner Wasserstoff nicht überall verfügbar ist, sollte im Vorfeld einer Ausschreibung geprüft werden, ob und zu welchen Kosten dieser zu beziehen ist, bzw. welche Abweichungen von der o. g. Norm zulässig sind.
In Bussen verbaute PEM-Brennstoffzellen haben, sofern sie als Hauptenergiequelle dienen, i. d. R. eine elektrische Leistung zwischen 60 und 85 kW und können somit auftretende Leistungsspitzen nicht abdecken. Ebenso sind PEM-Brennstoffzellen nicht für hohe Leistungsdynamiken, wie sie im DC-Zwischenkreis elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu finden sind, ausgelegt. Daher ist es notwendig, stark ansteigende und abfallende Leistungen sowie Leistungsspitzen mithilfe einer Batterie abzufangen, wobei es sich um High-Power-Batterien mit einem nominellen Energiegehalt von etwa 28 – 40 kWh bei Solobussen handelt.
Unter anderem durch die Hybridisierung mit Batterien ist es im letzten Jahrzehnt gelungen, die Nutzungsdauer von PEM-Brennstoffzellen deutlich zu erhöhen. Moderne PEM-Brennstoffzellen erreichen bereits eine Nutzungsdauer von bis zu 30.000 Betriebsstunden und damit etwa sechs bis acht Jahre, was jedoch immer noch einen Tausch während der Busnutzungszeit nach sich zieht.
Kosten für Brennstoffzellen im o. g. Leistungsbereich: 100.000 – 140.000 € inkl. Aus- und Einbaukosten