Brennstoffzellen sind elektrochemische Wandler, die die chemische Energie eines Brennstoffs, typischerweise Wasserstoff, direkt in elektrische Energie, Wärme und Reaktionsprodukte (zumeist Wasser) umsetzen. Im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen unterliegen sie nicht direkt dem Carnot-Limit, sondern werden primär durch elektrochemische Überspannungen, Ionen- und Elektronentransport sowie Stofftransportprozesse begrenzt.

Eine Brennstoffzelle besteht im Kern aus einer Membran-Elektroden-Einheit (MEU): zwei porösen Elektroden, getrennt durch einen Ionentransport-Elektrolyten (polymer, keramisch oder flüssig). An der Anode wird der Brennstoff oxidiert, an der Kathode ein Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, reduziert. Die räumliche Trennung der Teilreaktionen erzwingt den Elektronentransport über einen äußeren Stromkreis.

Zentrale materialwissenschaftliche Aspekte betreffen (i) die ionenleitenden Elektrolyte (Protonen- oder Oxidionenleiter), (ii) die elektrokatalytisch aktiven und korrosionsbeständigen Elektrodenmaterialien, (iii) die Stabilität von Grenzflächen und Mikrostruktur unter Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Redoxatmosphäre) und (iv) Degradationsmechanismen wie Korrosion, Sinterung, Rissbildung oder katalytisches Gift.

Wesentliche Typen sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC, Niedertemperatur, protonenleitende Polymere), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC, Hochtemperatur, oxidionenleitende Keramiken), alkalische (AFC) und phosphorsäurebasierte Zellen (PAFC). Die Werkstoffauswahl bestimmt Leistungsdichte, Lebensdauer, Betriebstemperaturfenster und die Toleranz gegenüber Brennstoffverunreinigungen und thermomechanischer Belastung.