Топливный элемент

Чтобы узнать о других значениях, см. Топливный элемент (значения) .

Демонстрационная модель метанольного топливного элемента прямого действия (черный многослойный куб) в корпусе

Схема протонпроводящего топливного элемента

Топливный элемент — это электрохимический элемент , который преобразует химическую энергию топлива (часто водорода ) и окислителя (часто кислорода). в электричество посредством пары окислительно-восстановительных реакций. Топливные элементы отличаются от большинства батарей тем, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батарее химическая энергия обычно поступает из веществ, которые уже присутствуют в батарее. Топливные элементы могут производить электроэнергию непрерывно до тех пор, пока подаются топливо и кислород.

Первые топливные элементы были изобретены сэром Уильямом Гроувом в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло почти столетие спустя, после изобретения водородно-кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1932 году. Щелочной топливный элемент , также известный как Топливный элемент Бэкона, названный в честь его изобретателя, использовался в космических программах НАСА с середины 1960-х годов для выработки энергии для спутников и космических капсул . С тех пор топливные элементы использовались во многих других приложениях. Топливные элементы используются в качестве основного и резервного источника питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в отдаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах , включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, поезда, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода , катода и электролита , который позволяет ионам, часто положительно заряженным ионам водорода (протонам), перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор заставляет топливо подвергаться реакциям окисления, в результате которых генерируются ионы (часто положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Ионы движутся от анода к катоду через электролит. В то же время электроны перетекают от анода к катоду через внешнюю цепь, производя постоянного тока электричество . На катоде другой катализатор вызывает реакцию ионов, электронов и кислорода, образуя воду и, возможно, другие продукты. Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска: от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (ТЭМ или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). . Родственная технология — проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем перезарядки. Отдельные топливные элементы производят относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 В, поэтому элементы «сложены» или размещены последовательно, чтобы создать достаточное напряжение для удовлетворения требований применения. Помимо электроэнергии, топливные элементы производят водяной пар, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшое количество диоксида азота и других выбросов. Элементы PEMFC обычно производят меньше оксидов азота, чем элементы SOFC: они работают при более низких температурах, используют водород в качестве топлива и ограничивают диффузию азота в анод через протонообменную мембрану, которая образует NOx. Энергоэффективность ; топливного элемента обычно составляет от 40 до 60% однако, если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить эффективность до 85%.

История

Количество семейств патентов (сплошные линии) и непатентных публикаций о различных электрохимических источниках энергии по годам. Пурпурной линией также показана цена на нефть с поправкой на инфляцию в долларах США за литр в линейном масштабе.

Основная статья: Хронология водородных технологий

Эскиз топливного элемента сэра Уильяма Гроува 1839 года.

Первые упоминания о водородных топливных элементах появились в 1838 году. В письме, датированном октябрем 1838 года, но опубликованном в декабрьском выпуске 1838 года The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science , валлийский физик и адвокат сэр Уильям Гроув написал о разработке своего первого сырые топливные элементы. Он использовал комбинацию листового железа, меди и фарфоровых пластин, а также раствор сульфата меди и разбавленной кислоты. В письме в то же издание, написанном в декабре 1838 года, но опубликованном в июне 1839 года, немецкий физик Кристиан Фридрих Шенбейн рассказал о первом изобретенном им сыром топливном элементе. В его письме обсуждался ток, вырабатываемый растворенными в воде водородом и кислородом. Позже, в 1842 году, Гроув набросал свой дизайн в том же журнале. В топливном элементе, который он создал, использовались материалы, аналогичные современным топливным элементам на основе фосфорной кислоты .

В 1932 году английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон успешно разработал стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. НАСА использовало щелочной топливный элемент (AFC), также известный как топливный элемент Бэкона в честь его изобретателя, с середины 1960-х годов.

In 1955, W. Thomas Grubb, a chemist working for the General Electric Company (GE), further modified the original fuel cell design by using a sulphonated polystyrene ion-exchange membrane as the electrolyte. Three years later another GE chemist, Leonard Niedrach, devised a way of depositing platinum onto the membrane, which served as a catalyst for the necessary hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions. This became known as the "Grubb-Niedrach fuel cell". GE went on to develop this technology with NASA and McDonnell Aircraft, leading to its use during Project Gemini. This was the first commercial use of a fuel cell. In 1959, a team led by Harry Ihrig built a 15 kW fuel cell tractor for Allis-Chalmers, which was demonstrated across the U.S. at state fairs. This system used potassium hydroxide as the electrolyte and compressed hydrogen and oxygen as the reactants. Later in 1959, Bacon and his colleagues demonstrated a practical five-kilowatt unit capable of powering a welding machine. In the 1960s, Pratt & Whitney licensed Bacon's U.S. patents for use in the U.S. space program to supply electricity and drinking water (hydrogen and oxygen being readily available from the spacecraft tanks). In 1991, the first hydrogen fuel cell automobile was developed by Roger E. Billings.

UTC Power was the first company to manufacture and commercialize a large, stationary fuel cell system for use as a cogeneration power plant in hospitals, universities and large office buildings.

In recognition of the fuel cell industry and America's role in fuel cell development, the United States Senate recognized October 8, 2015 as National Hydrogen and Fuel Cell Day, passing S. RES 217. The date was chosen in recognition of the atomic weight of hydrogen (1.008).

Types of fuel cells; design

Fuel cells come in many varieties; however, they all work in the same general manner. They are made up of three adjacent segments: the anode, the electrolyte, and the cathode. Two chemical reactions occur at the interfaces of the three different segments. The net result of the two reactions is that fuel is consumed, water or carbon dioxide is created, and an electric current is created, which can be used to power electrical devices, normally referred to as the load.

At the anode a catalyst ionizes the fuel, turning the fuel into a positively charged ion and a negatively charged electron. The electrolyte is a substance specifically designed so ions can pass through it, but the electrons cannot. The freed electrons travel through a wire creating an electric current. The ions travel through the electrolyte to the cathode. Once reaching the cathode, the ions are reunited with the electrons and the two react with a third chemical, usually oxygen, to create water or carbon dioxide.

A block diagram of a fuel cell

Design features in a fuel cell include:

• The electrolyte substance, which usually defines the type of fuel cell, and can be made from a number of substances like potassium hydroxide, salt carbonates, and phosphoric acid.
• The fuel that is used. The most common fuel is hydrogen.
• The anode catalyst, usually fine platinum powder, breaks down the fuel into electrons and ions.
• The cathode catalyst, often nickel, converts ions into waste chemicals, with water being the most common type of waste.
• Gas diffusion layers that are designed to resist oxidization.

A typical fuel cell produces a voltage from 0.6 to 0.7 V at a full-rated load. Voltage decreases as current increases, due to several factors:

• Activation loss
• Ohmic loss (voltage drop due to resistance of the cell components and interconnections)
• Mass transport loss (depletion of reactants at catalyst sites under high loads, causing rapid loss of voltage).

To deliver the desired amount of energy, the fuel cells can be combined in series to yield higher voltage, and in parallel to allow a higher current to be supplied. Such a design is called a fuel cell stack. The cell surface area can also be increased, to allow higher current from each cell.

Proton-exchange membrane fuel cells

Main article: Proton-exchange membrane fuel cell

Construction of a high-temperature PEMFC: Bipolar plate as electrode with in-milled gas channel structure, fabricated from conductive composites (enhanced with graphite, carbon black, carbon fiber, and/or carbon nanotubes for more conductivity); Porous carbon papers; reactive layer, usually on the polymer membrane applied; polymer membrane.

Condensation of water produced by a PEMFC on the air channel wall. The gold wire around the cell ensures the collection of electric current.

SEM micrograph of a PEMFC MEA cross-section with a non-precious metal catalyst cathode and Pt/C anode. False colors applied for clarity.

In the archetypical hydrogen–oxide proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) design, a proton-conducting polymer membrane (typically nafion) contains the electrolyte solution that separates the anode and cathode sides. This was called a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC) in the early 1970s, before the proton-exchange mechanism was well understood. (Notice that the synonyms polymer electrolyte membrane and proton-exchange mechanism result in the same acronym.)

On the anode side, hydrogen diffuses to the anode catalyst where it later dissociates into protons and electrons. These protons often react with oxidants causing them to become what are commonly referred to as multi-facilitated proton membranes. The protons are conducted through the membrane to the cathode, but the electrons are forced to travel in an external circuit (supplying power) because the membrane is electrically insulating. On the cathode catalyst, oxygen molecules react with the electrons (which have traveled through the external circuit) and protons to form water.

In addition to this pure hydrogen type, there are hydrocarbon fuels for fuel cells, including diesel, methanol (see: direct-methanol fuel cells and indirect methanol fuel cells) and chemical hydrides. The waste products with these types of fuel are carbon dioxide and water. When hydrogen is used, the CO₂ is released when methane from natural gas is combined with steam, in a process called steam methane reforming, to produce the hydrogen. This can take place in a different location to the fuel cell, potentially allowing the hydrogen fuel cell to be used indoors—for example, in forklifts.

The different components of a PEMFC are

1. bipolar plates,
2. electrodes,
3. catalyst,
4. membrane, and
5. the necessary hardware such as current collectors and gaskets.

The materials used for different parts of the fuel cells differ by type. The bipolar plates may be made of different types of materials, such as, metal, coated metal, graphite, flexible graphite, C–C composite, carbon–polymer composites etc. The membrane electrode assembly (MEA) is referred to as the heart of the PEMFC and is usually made of a proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated carbon papers. Platinum and/or similar types of noble metals are usually used as the catalyst for PEMFC, and these can be contaminated by carbon monoxide, necessitating a relatively pure hydrogen fuel. The electrolyte could be a polymer membrane.

Proton-exchange membrane fuel cell design issues

Cost

In 2013, the Department of Energy estimated that 80 kW automotive fuel cell system costs of US$67 per kilowatt could be achieved, assuming volume production of 100,000 automotive units per year and US$55 per kilowatt could be achieved, assuming volume production of 500,000 units per year. Many companies are working on techniques to reduce cost in a variety of ways including reducing the amount of platinum needed in each individual cell. Ballard Power Systems has experimented with a catalyst enhanced with carbon silk, which allows a 30% reduction (1.0–0.7 mg/cm²) in platinum usage without reduction in performance. Monash University, Melbourne uses PEDOT as a cathode. A 2011-published study documented the first metal-free electrocatalyst using relatively inexpensive doped carbon nanotubes, which are less than 1% the cost of platinum and are of equal or superior performance. A recently published article demonstrated how the environmental burdens change when using carbon nanotubes as carbon substrate for platinum.

Water and air management (in PEMFCs)

In this type of fuel cell, the membrane must be hydrated, requiring water to be evaporated at precisely the same rate that it is produced. If water is evaporated too quickly, the membrane dries, the resistance across it increases, and eventually, it will crack, creating a gas "short circuit" where hydrogen and oxygen combine directly, generating heat that will damage the fuel cell. If the water is evaporated too slowly, the electrodes will flood, preventing the reactants from reaching the catalyst and stopping the reaction. Methods to manage water in cells are being developed like electroosmotic pumps focusing on flow control. Just as in a combustion engine, a steady ratio between the reactant and oxygen is necessary to keep the fuel cell operating efficiently.

Temperature management

The same temperature must be maintained throughout the cell in order to prevent destruction of the cell through thermal loading. This is particularly challenging as the 2H₂ + O₂ → 2H₂O reaction is highly exothermic, so a large quantity of heat is generated within the fuel cell.

Durability, service life, and special requirements for some type of cells

Stationary fuel cell applications typically require more than 40,000 hours of reliable operation at a temperature of −35 to 40 °C (−31 to 104 °F), while automotive fuel cells require a 5,000-hour lifespan (the equivalent of 240,000 km or 150,000 mi) under extreme temperatures. Current service life is 2,500 hours (about 120,000 km or 75,000 mi). Automotive engines must also be able to start reliably at −30 °C (−22 °F) and have a high power-to-volume ratio (typically 2.5 kW/L).

Limited carbon monoxide tolerance of some (non-PEDOT) cathodes.

Phosphoric acid fuel cell

Main article: Phosphoric acid fuel cell

Phosphoric acid fuel cells (PAFCs) were first designed and introduced in 1961 by G. V. Elmore and H. A. Tanner. In these cells, phosphoric acid is used as a non-conductive electrolyte to pass protons from the anode to the cathode and to force electrons to travel from anode to cathode through an external electrical circuit. These cells commonly work in temperatures of 150 to 200 °C. This high temperature will cause heat and energy loss if the heat is not removed and used properly. This heat can be used to produce steam for air conditioning systems or any other thermal energy-consuming system. Using this heat in cogeneration can enhance the efficiency of phosphoric acid fuel cells from 40 to 50% to about 80%. Since the proton production rate on the anode is small, platinum is used as a catalyst to increase this ionization rate. A key disadvantage of these cells is the use of an acidic electrolyte. This increases the corrosion or oxidation of components exposed to phosphoric acid.

Solid acid fuel cell

Main article: Solid acid fuel cell

Solid acid fuel cells (SAFCs) are characterized by the use of a solid acid material as the electrolyte. At low temperatures, solid acids have an ordered molecular structure like most salts. At warmer temperatures (between 140 and 150 °C for CsHSO₄), some solid acids undergo a phase transition to become highly disordered "superprotonic" structures, which increases conductivity by several orders of magnitude. The first proof-of-concept SAFCs were developed in 2000 using cesium hydrogen sulfate (CsHSO₄). Current SAFC systems use cesium dihydrogen phosphate (CsH₂PO₄) and have demonstrated lifetimes in the thousands of hours.

Alkaline fuel cell

Main articles: Alkaline fuel cell and Alkaline anion exchange membrane fuel cell

The alkaline fuel cell (AFC) or hydrogen-oxygen fuel cell was designed and first demonstrated publicly by Francis Thomas Bacon in 1959. It was used as a primary source of electrical energy in the Apollo space program. The cell consists of two porous carbon electrodes impregnated with a suitable catalyst such as Pt, Ag, CoO, etc. The space between the two electrodes is filled with a concentrated solution of KOH or NaOH which serves as an electrolyte. H₂ gas and O₂ gas are bubbled into the electrolyte through the porous carbon electrodes. Thus the overall reaction involves the combination of hydrogen gas and oxygen gas to form water. The cell runs continuously until the reactant's supply is exhausted. This type of cell operates efficiently in the temperature range 343–413 K (70 -140 °C) and provides a potential of about 0.9 V. Alkaline anion exchange membrane fuel cell (AAEMFC) is a type of AFC which employs a solid polymer electrolyte instead of aqueous potassium hydroxide (KOH) and it is superior to aqueous AFC.

High-temperature fuel cells

Solid oxide fuel cell

Main article: Solid oxide fuel cell

Solid oxide fuel cells (SOFCs) use a solid material, most commonly a ceramic material called yttria-stabilized zirconia (YSZ), as the electrolyte. Because SOFCs are made entirely of solid materials, they are not limited to the flat plane configuration of other types of fuel cells and are often designed as rolled tubes. They require high operating temperatures (800–1000 °C) and can be run on a variety of fuels including natural gas.

SOFCs are unique because negatively charged oxygen ions travel from the cathode (positive side of the fuel cell) to the anode (negative side of the fuel cell) instead of protons travelling vice versa (i.e., from the anode to the cathode), as is the case in all other types of fuel cells. Oxygen gas is fed through the cathode, where it absorbs electrons to create oxygen ions. The oxygen ions then travel through the electrolyte to react with hydrogen gas at the anode. The reaction at the anode produces electricity and water as by-products. Carbon dioxide may also be a by-product depending on the fuel, but the carbon emissions from a SOFC system are less than those from a fossil fuel combustion plant. The chemical reactions for the SOFC system can be expressed as follows:

Anode reaction: 2H₂ + 2O²⁻ → 2H₂O + 4e⁻

Cathode reaction: O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻

Overall cell reaction: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

SOFC systems can run on fuels other than pure hydrogen gas. However, since hydrogen is necessary for the reactions listed above, the fuel selected must contain hydrogen atoms. For the fuel cell to operate, the fuel must be converted into pure hydrogen gas. SOFCs are capable of internally reforming light hydrocarbons such as methane (natural gas), propane, and butane. These fuel cells are at an early stage of development.

Challenges exist in SOFC systems due to their high operating temperatures. One such challenge is the potential for carbon dust to build up on the anode, which slows down the internal reforming process. Research to address this "carbon coking" issue at the University of Pennsylvania has shown that the use of copper-based cermet (heat-resistant materials made of ceramic and metal) can reduce coking and the loss of performance. Another disadvantage of SOFC systems is the long start-up, making SOFCs less useful for mobile applications. Despite these disadvantages, a high operating temperature provides an advantage by removing the need for a precious metal catalyst like platinum, thereby reducing cost. Additionally, waste heat from SOFC systems may be captured and reused, increasing the theoretical overall efficiency to as high as 80–85%.

The high operating temperature is largely due to the physical properties of the YSZ electrolyte. As temperature decreases, so does the ionic conductivity of YSZ. Therefore, to obtain the optimum performance of the fuel cell, a high operating temperature is required. According to their website, Ceres Power, a UK SOFC fuel cell manufacturer, has developed a method of reducing the operating temperature of their SOFC system to 500–600 degrees Celsius. They replaced the commonly used YSZ electrolyte with a CGO (cerium gadolinium oxide) electrolyte. The lower operating temperature allows them to use stainless steel instead of ceramic as the cell substrate, which reduces cost and start-up time of the system.

Molten-carbonate fuel cell

Main article: Molten carbonate fuel cell

Molten carbonate fuel cells (MCFCs) require a high operating temperature, 650 °C (1,200 °F), similar to SOFCs. MCFCs use lithium potassium carbonate salt as an electrolyte, and this salt liquefies at high temperatures, allowing for the movement of charge within the cell – in this case, negative carbonate ions.

Like SOFCs, MCFCs are capable of converting fossil fuel to a hydrogen-rich gas in the anode, eliminating the need to produce hydrogen externally. The reforming process creates CO₂ emissions. MCFC-compatible fuels include natural gas, biogas and gas produced from coal. The hydrogen in the gas reacts with carbonate ions from the electrolyte to produce water, carbon dioxide, electrons and small amounts of other chemicals. The electrons travel through an external circuit, creating electricity, and return to the cathode. There, oxygen from the air and carbon dioxide recycled from the anode react with the electrons to form carbonate ions that replenish the electrolyte, completing the circuit. The chemical reactions for an MCFC system can be expressed as follows:

Anode reaction: CO₃²⁻ + H₂ → H₂O + CO₂ + 2e⁻

Cathode reaction: CO₂ + ½O₂ + 2e⁻ → CO₃²⁻

Overall cell reaction: H₂ + ½O₂ → H₂O

As with SOFCs, MCFC disadvantages include slow start-up times because of their high operating temperature. This makes MCFC systems not suitable for mobile applications, and this technology will most likely be used for stationary fuel cell purposes. The main challenge of MCFC technology is the cells' short life span. The high-temperature and carbonate electrolyte lead to corrosion of the anode and cathode. These factors accelerate the degradation of MCFC components, decreasing the durability and cell life. Researchers are addressing this problem by exploring corrosion-resistant materials for components as well as fuel cell designs that may increase cell life without decreasing performance.

MCFCs hold several advantages over other fuel cell technologies, including their resistance to impurities. They are not prone to "carbon coking", which refers to carbon build-up on the anode that results in reduced performance by slowing down the internal fuel reforming process. Therefore, carbon-rich fuels like gases made from coal are compatible with the system. The United States Department of Energy claims that coal, itself, might even be a fuel option in the future, assuming the system can be made resistant to impurities such as sulfur and particulates that result from converting coal into hydrogen. MCFCs also have relatively high efficiencies. They can reach a fuel-to-electricity efficiency of 50%, considerably higher than the 37–42% efficiency of a phosphoric acid fuel cell plant. Efficiencies can be as high as 65% when the fuel cell is paired with a turbine, and 85% if heat is captured and used in a combined heat and power (CHP) system.

FuelCell Energy, a Connecticut-based fuel cell manufacturer, develops and sells MCFC fuel cells. The company says that their MCFC products range from 300 kW to 2.8 MW systems that achieve 47% electrical efficiency and can utilize CHP technology to obtain higher overall efficiencies. One product, the DFC-ERG, is combined with a gas turbine and, according to the company, it achieves an electrical efficiency of 65%.

Electric storage fuel cell

The electric storage fuel cell is a conventional battery chargeable by electric power input, using the conventional electro-chemical effect. However, the battery further includes hydrogen (and oxygen) inputs for alternatively charging the battery chemically.

Comparison of fuel cell types

Fuel cell name	Electrolyte	Qualified power (W)	Working temperature (°C)	Efficiency		Status	Cost (USD/W)
				Cell	System
Electro-galvanic fuel cell	Aqueous alkaline solution		< 40			Commercial / Research	3-7
Direct formic acid fuel cell (DFAFC)	Polymer membrane (ionomer)	< 50 W	< 40			Commercial / Research	10-20
Alkaline fuel cell	Aqueous alkaline solution	10–200 kW	< 80	60–70%	62%	Commercial / Research	50-100
Proton-exchange membrane fuel cell	Polymer membrane (ionomer)	1 W – 500 kW	50–100 (Nafion) 120–200 (PBI)	50–70%	30–50%	Commercial / Research	50–100
Metal hydride fuel cell	Aqueous alkaline solution		> −20 (50% Ppeak @ 0 °C)			Commercial / Research	30-200
Zinc–air battery	Aqueous alkaline solution		< 40			Mass production	150-300
Direct carbon fuel cell	Several different		700–850	80%	70%	Commercial / Research	18
Direct borohydride fuel cell	Aqueous alkaline solution		70			Commercial	400-450
Microbial fuel cell	Polymer membrane or humic acid		< 40			Research	10-50
Upflow microbial fuel cell (UMFC)			< 40			Research	1-5
Regenerative fuel cell	Polymer membrane (ionomer)		< 50			Commercial / Research	200-300
Direct methanol fuel cell	Polymer membrane (ionomer)	100 mW – 1 kW	90–120	20–30%	10–25%	Commercial / Research	125
Reformed methanol fuel cell	Polymer membrane (ionomer)	5 W – 100 kW	250–300 (reformer) 125–200 (PBI)	50–60%	25–40%	Commercial / Research	8.50
Direct-ethanol fuel cell	Polymer membrane (ionomer)	< 140 mW/cm²	> 25 ? 90–120			Research	12
Redox fuel cell (RFC)	Liquid electrolytes with redox shuttle and polymer membrane (ionomer)	1 kW – 10 MW				Research	12.50
Phosphoric acid fuel cell	Molten phosphoric acid (H3PO4)	< 10 MW	150–200	55%	40% Co-gen: 90%	Commercial / Research	4.00–4.50
Solid acid fuel cell	H+-conducting oxyanion salt (solid acid)	10 W – 1 kW	200–300	55–60%	40–45%	Commercial / Research	15
Molten carbonate fuel cell	Molten alkaline carbonate	100 MW	600–650	55%	45–55%	Commercial / Research	1000
Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC)	O2−-conducting ceramic oxide	< 100 MW	850–1100	60–65%	55–60%	Commercial / Research	3.50
Protonic ceramic fuel cell	H+-conducting ceramic oxide		700			Research	80
Planar solid oxide fuel cell	O2−-conducting ceramic oxide	< 100 MW	500–1100	60–65%	55–60%	Commercial / Research	800
Enzymatic biofuel cells	Any that will not denature the enzyme		< 40			Research	10
Magnesium-air fuel cell	Salt water		−20 to 55	90%		Commercial / Research	15

Glossary of terms in table:

Further information: glossary of fuel cell terms

Anode

The electrode at which oxidation (a loss of electrons) takes place. For fuel cells and other galvanic cells, the anode is the negative terminal; for electrolytic cells (where electrolysis occurs), the anode is the positive terminal.

Aqueous solution

Of, relating to, or resembling water

Made from, with, or by water.

Catalyst

A chemical substance that increases the rate of a reaction without being consumed; after the reaction, it can potentially be recovered from the reaction mixture and is chemically unchanged. The catalyst lowers the activation energy required, allowing the reaction to proceed more quickly or at a lower temperature. In a fuel cell, the catalyst facilitates the reaction of oxygen and hydrogen. It is usually made of platinum powder very thinly coated onto carbon paper or cloth. The catalyst is rough and porous so the maximum surface area of the platinum can be exposed to the hydrogen or oxygen. The platinum-coated side of the catalyst faces the membrane in the fuel cell.

Cathode

The electrode at which reduction (a gain of electrons) occurs. For fuel cells and other galvanic cells, the cathode is the positive terminal; for electrolytic cells (where electrolysis occurs), the cathode is the negative terminal.

Electrolyte

A substance that conducts charged ions from one electrode to the other in a fuel cell, battery, or electrolyzer.

Fuel cell stack

Individual fuel cells connected in a series. Fuel cells are stacked to increase voltage.

Matrix

something within or from which something else originates, develops, or takes form.

Membrane

The separating layer in a fuel cell that acts as electrolyte (an ion-exchanger) as well as a barrier film separating the gases in the anode and cathode compartments of the fuel cell.

Molten carbonate fuel cell (MCFC)

A type of fuel cell that contains a molten carbonate electrolyte. Carbonate ions (CO₃²⁻) are transported from the cathode to the anode. Operating temperatures are typically near 650 °C.

Phosphoric acid fuel cell (PAFC)

A type of fuel cell in which the electrolyte consists of concentrated phosphoric acid (H₃PO₄). Protons (H+) are transported from the anode to the cathode. The operating temperature range is generally 160–220 °C.

Proton-exchange membrane fuel cell (PEM)

A fuel cell incorporating a solid polymer membrane used as its electrolyte. Protons (H+) are transported from the anode to the cathode. The operating temperature range is generally 60–100 °C for Low Temperature Proton-exchange membrane fuel cell (LT-PEMFC). PEM fuel cell with operating temperature of 120-200 °C is called High Temperature Proton-exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC).

Solid oxide fuel cell (SOFC)

A type of fuel cell in which the electrolyte is a solid, nonporous metal oxide, typically zirconium oxide (ZrO₂) treated with Y₂O₃, and O²⁻ is transported from the cathode to the anode. Any CO in the reformate gas is oxidized to CO₂ at the anode. Temperatures of operation are typically 800–1,000 °C.

Solution

An act or the process by which a solid, liquid, or gaseous substance is homogeneously mixed with a liquid or sometimes a gas or solid.

A homogeneous mixture formed by this process; especially : a single-phase liquid system.

The condition of being dissolved.

Efficiency of leading fuel cell types

Theoretical maximum efficiency

The energy efficiency of a system or device that converts energy is measured by the ratio of the amount of useful energy put out by the system ("output energy") to the total amount of energy that is put in ("input energy") or by useful output energy as a percentage of the total input energy. In the case of fuel cells, useful output energy is measured in electrical energy produced by the system. Input energy is the energy stored in the fuel. According to the U.S. Department of Energy, fuel cells are generally between 40 and 60% energy efficient. This is higher than some other systems for energy generation. For example, the internal combustion engine of a car can be about 43% energy efficient. Steam power plants usually achieve efficiencies of 30-40% while combined cycle gas turbine and steam plants can achieve efficiencies above 60%. In combined heat and power (CHP) systems, the waste heat produced by the primary power cycle - whether fuel cell, nuclear fission or combustion - is captured and put to use, increasing the efficiency of the system to up to 85–90%.

The theoretical maximum efficiency of any type of power generation system is never reached in practice, and it does not consider other steps in power generation, such as production, transportation and storage of fuel and conversion of the electricity into mechanical power. However, this calculation allows the comparison of different types of power generation. The theoretical maximum efficiency of a fuel cell approaches 100%, while the theoretical maximum efficiency of internal combustion engines is approximately 58%. - theoretically upper bound by Carnot%27s_theorem_(thermodynamics)

In practice

Values are given from 40% for acidic, 50% for molten carbonate, to 60% for alkaline, solid oxide and PEM fuel cells.

Fuel cells cannot store energy like a battery, except as hydrogen, but in some applications, such as stand-alone power plants based on discontinuous sources such as solar or wind power, they are combined with electrolyzers and storage systems to form an energy storage system. As of 2019, 90% of hydrogen was used for oil refining, chemicals and fertilizer production (where hydrogen is required for the Haber–Bosch process), and 98% of hydrogen is produced by steam methane reforming, which emits carbon dioxide. The overall efficiency (electricity to hydrogen and back to electricity) of such plants (known as round-trip efficiency), using pure hydrogen and pure oxygen can be "from 35 up to 50 percent", depending on gas density and other conditions. The electrolyzer/fuel cell system can store indefinite quantities of hydrogen, and is therefore suited for long-term storage.

Solid-oxide fuel cells produce heat from the recombination of the oxygen and hydrogen. The ceramic can run as hot as 800 °C (1,470 °F). This heat can be captured and used to heat water in a micro combined heat and power (m-CHP) application. When the heat is captured, total efficiency can reach 80–90% at the unit, but does not consider production and distribution losses. CHP units are being developed today for the European home market.

Professor Jeremy P. Meyers, in the Electrochemical Society journal Interface in 2008, wrote, "While fuel cells are efficient relative to combustion engines, they are not as efficient as batteries, primarily due to the inefficiency of the oxygen reduction reaction (and ... the oxygen evolution reaction, should the hydrogen be formed by electrolysis of water).... [T]hey make the most sense for operation disconnected from the grid, or when fuel can be provided continuously. For applications that require frequent and relatively rapid start-ups ... where zero emissions are a requirement, as in enclosed spaces such as warehouses, and where hydrogen is considered an acceptable reactant, a [PEM fuel cell] is becoming an increasingly attractive choice [if exchanging batteries is inconvenient]". In 2013 military organizations were evaluating fuel cells to determine if they could significantly reduce the battery weight carried by soldiers.

In vehicles

In a fuel cell vehicle the tank-to-wheel efficiency is greater than 45% at low loads and shows average values of about 36% when a driving cycle like the NEDC (New European Driving Cycle) is used as test procedure. The comparable NEDC value for a Diesel vehicle is 22%. In 2008 Honda released a demonstration fuel cell electric vehicle (the Honda FCX Clarity) with fuel stack claiming a 60% tank-to-wheel efficiency.

It is also important to take losses due to fuel production, transportation, and storage into account. Fuel cell vehicles running on compressed hydrogen may have a power-plant-to-wheel efficiency of 22% if the hydrogen is stored as high-pressure gas, and 17% if it is stored as liquid hydrogen.

Applications

Type 212 submarine with fuel cell propulsion. This example in dry dock is operated by the German Navy.

Power

See also: Hydrogen fuel cell power plant

Stationary fuel cells are used for commercial, industrial and residential primary and backup power generation. Fuel cells are very useful as power sources in remote locations, such as spacecraft, remote weather stations, large parks, communications centers, rural locations including research stations, and in certain military applications. A fuel cell system running on hydrogen can be compact and lightweight, and have no major moving parts. Because fuel cells have no moving parts and do not involve combustion, in ideal conditions they can achieve up to 99.9999% reliability. This equates to less than one minute of downtime in a six-year period.

Since fuel cell electrolyzer systems do not store fuel in themselves, but rather rely on external storage units, they can be successfully applied in large-scale energy storage, rural areas being one example. There are many different types of stationary fuel cells so efficiencies vary, but most are between 40% and 60% energy efficient. However, when the fuel cell's waste heat is used to heat a building in a cogeneration system this efficiency can increase to 85%. This is significantly more efficient than traditional coal power plants, which are only about one third energy efficient. Assuming production at scale, fuel cells could save 20–40% on energy costs when used in cogeneration systems. Fuel cells are also much cleaner than traditional power generation; a fuel cell power plant using natural gas as a hydrogen source would create less than one ounce of pollution (other than CO₂) for every 1,000 kW·h produced, compared to 25 pounds of pollutants generated by conventional combustion systems. Fuel Cells also produce 97% less nitrogen oxide emissions than conventional coal-fired power plants.

One such pilot program is operating on Stuart Island in Washington State. There the Stuart Island Energy Initiative has built a complete, closed-loop system: Solar panels power an electrolyzer, which makes hydrogen. The hydrogen is stored in a 500-U.S.-gallon (1,900 L) tank at 200 pounds per square inch (1,400 kPa), and runs a ReliOn fuel cell to provide full electric back-up to the off-the-grid residence. Another closed system loop was unveiled in late 2011 in Hempstead, NY.

Fuel cells can be used with low-quality gas from landfills or waste-water treatment plants to generate power and lower methane emissions. A 2.8 MW fuel cell plant in California is said to be the largest of the type. Small-scale (sub-5kWhr) fuel cells are being developed for use in residential off-grid deployment.

Cogeneration

See also: Combined cycle hydrogen power plant

Combined heat and power (CHP) fuel cell systems, including micro combined heat and power (MicroCHP) systems are used to generate both electricity and heat for homes (see home fuel cell), office building and factories. The system generates constant electric power (selling excess power back to the grid when it is not consumed), and at the same time produces hot air and water from the waste heat. As the result CHP systems have the potential to save primary energy as they can make use of waste heat which is generally rejected by thermal energy conversion systems. A typical capacity range of home fuel cell is 1–3 kW_el, 4–8 kW_th. CHP systems linked to absorption chillers use their waste heat for refrigeration.

The waste heat from fuel cells can be diverted during the summer directly into the ground providing further cooling while the waste heat during winter can be pumped directly into the building. The University of Minnesota owns the patent rights to this type of system.

Co-generation systems can reach 85% efficiency (40–60% electric and the remainder as thermal). Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) comprise the largest segment of existing CHP products worldwide and can provide combined efficiencies close to 90%. Molten carbonate (MCFC) and solid-oxide fuel cells (SOFC) are also used for combined heat and power generation and have electrical energy efficiencies around 60%. Disadvantages of co-generation systems include slow ramping up and down rates, high cost and short lifetime. Also their need to have a hot water storage tank to smooth out the thermal heat production was a serious disadvantage in the domestic market place where space in domestic properties is at a great premium.

Delta-ee consultants stated in 2013 that with 64% of global sales the fuel cell micro-combined heat and power passed the conventional systems in sales in 2012. The Japanese ENE FARM project stated that 34.213 PEMFC and 2.224 SOFC were installed in the period 2012–2014, 30,000 units on LNG and 6,000 on LPG.

Fuel cell electric vehicles (FCEVs)

Main articles: Fuel cell vehicle, Hydrogen vehicle, List of fuel cell vehicles, and hydrogen fuel cell train

Configuration of components in a fuel cell car

Toyota Mirai

Element One fuel cell vehicle

Automobiles

By year-end 2019, about 18,000 FCEVs had been leased or sold worldwide. Three fuel cell electric vehicles have been introduced for commercial lease and sale: the Honda Clarity, Toyota Mirai and the Hyundai ix35 FCEV. Additional demonstration models include the Honda FCX Clarity, and Mercedes-Benz F-Cell. As of June 2011 demonstration FCEVs had driven more than 4,800,000 km (3,000,000 mi), with more than 27,000 refuelings. Fuel cell electric vehicles feature an average range of 505 km (314 mi) between refuelings. They can be refueled in less than 5 minutes. The U.S. Department of Energy's Fuel Cell Technology Program states that, as of 2011, fuel cells achieved 53–59% efficiency at one-quarter power and 42–53% vehicle efficiency at full power, and a durability of over 120,000 km (75,000 mi) with less than 10% degradation. In a 2017 Well-to-Wheels simulation analysis that "did not address the economics and market constraints", General Motors and its partners estimated that, for an equivalent journey, a fuel cell electric vehicle running on compressed gaseous hydrogen produced from natural gas could use about 40% less energy and emit 45% less greenhouse gasses than an internal combustion vehicle.

In 2015, Toyota introduced its first fuel cell vehicle, the Mirai, at a price of $57,000. Hyundai introduced the limited production Hyundai ix35 FCEV under a lease agreement. In 2016, Honda started leasing the Honda Clarity Fuel Cell. In 2020, Toyota introduced the second generation of its Mirai brand, improving fuel efficiency and expanding range compared to the original Sedan 2014 model.

In 2024, Mirai owners filed a class action lawsuit in California over the lack of availability of hydrogen available for fuel cell electric cars, alleging, among other things, fraudulent concealment and misrepresentation as well as violations of California’s false advertising law and breaches of implied warranty.

Criticism

Some commentators believe that hydrogen fuel cell cars will never become economically competitive with other technologies or that it will take decades for them to become profitable. Elon Musk, CEO of battery-electric vehicle maker Tesla Motors, stated in 2015 that fuel cells for use in cars will never be commercially viable because of the inefficiency of producing, transporting and storing hydrogen and the flammability of the gas, among other reasons. In 2012, Lux Research, Inc. issued a report that stated: "The dream of a hydrogen economy ... is no nearer". It concluded that "Capital cost ... will limit adoption to a mere 5.9 GW" by 2030, providing "a nearly insurmountable barrier to adoption, except in niche applications". The analysis concluded that, by 2030, PEM stationary market will reach $1 billion, while the vehicle market, including forklifts, will reach a total of $2 billion. Other analyses cite the lack of an extensive hydrogen infrastructure in the U.S. as an ongoing challenge to Fuel Cell Electric Vehicle commercialization.

In 2014, Joseph Romm, the author of The Hype About Hydrogen (2005), said that FCVs still had not overcome the high fueling cost, lack of fuel-delivery infrastructure, and pollution caused by producing hydrogen. "It would take several miracles to overcome all of those problems simultaneously in the coming decades." He concluded that renewable energy cannot economically be used to make hydrogen for an FCV fleet "either now or in the future." Greentech Media's analyst reached similar conclusions in 2014. In 2015, CleanTechnica listed some of the disadvantages of hydrogen fuel cell vehicles. So did Car Throttle. A 2019 video by Real Engineering noted that, notwithstanding the introduction of vehicles that run on hydrogen, using hydrogen as a fuel for cars does not help to reduce carbon emissions from transportation. The 95% of hydrogen still produced from fossil fuels releases carbon dioxide, and producing hydrogen from water is an energy-consuming process. Storing hydrogen requires more energy either to cool it down to the liquid state or to put it into tanks under high pressure, and delivering the hydrogen to fueling stations requires more energy and may release more carbon. The hydrogen needed to move a FCV a kilometer costs approximately 8 times as much as the electricity needed to move a BEV the same distance.

A 2020 assessment concluded that hydrogen vehicles are still only 38% efficient, while battery EVs are 80% efficient. In 2021 CleanTechnica concluded that (a) hydrogen cars remain far less efficient than electric cars; (b) grey hydrogen – hydrogen produced with polluting processes – makes up the vast majority of available hydrogen; (c) delivering hydrogen would require building a vast and expensive new delivery and refueling infrastructure; and (d) the remaining two "advantages of fuel cell vehicles – longer range and fast fueling times – are rapidly being eroded by improving battery and charging technology." A 2022 study in Nature Electronics agreed. A 2023 study by the Centre for International Climate and Environmental Research (CICERO) estimated that leaked hydrogen has a global warming effect 11.6 times stronger than CO₂.

Buses

Toyota FCHV-BUS at the Expo 2005

As of August 2011, there were about 100 fuel cell buses in service around the world. Most of these were manufactured by UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics, and Proton Motor. UTC buses had driven more than 970,000 km (600,000 mi) by 2011. Fuel cell buses have from 39% to 141% higher fuel economy than diesel buses and natural gas buses.

As of 2019, the NREL was evaluating several current and planned fuel cell bus projects in the U.S.

Trains

Train operators may use hydrogen fuel cells in trains in an effort to save the costs of installing overhead electrification and to maintain the range offered by diesel trains. They have encountered expenses, however, due to fuel cells in trains lasting only three years, maintenance of the hydrogen tank and the additional need for batteries as a power buffer. In 2018, the first fuel cell-powered trains, the Alstom Coradia iLint multiple units, began running on the Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven line in Germany. Hydrogen trains have also been introduced in Sweden and the UK.

Trucks

В декабре 2020 года Toyota и Hino Motors вместе с Seven-Eleven (Япония) , FamilyMart и Lawson объявили, что договорились совместно рассмотреть возможность внедрения легких электрогрузовиков на топливных элементах (легких FCET). Лоусон начал испытания низкотемпературной доставки в конце июля 2021 года в Токио, используя Hino Dutro , в котором Toyota Mirai установлен топливный элемент . FamilyMart начал тестирование в городе Окадзаки .

В августе 2021 года Toyota объявила о своем плане производить модули топливных элементов на своем автосборочном заводе в Кентукки для использования в больших установках с нулевым уровнем выбросов и тяжелых коммерческих автомобилях. Сборку электрохимических устройств планируют начать в 2023 году.

В октябре 2021 года грузовик Daimler Truck на топливных элементах получил разрешение властей Германии на использование на дорогах общего пользования.

Вилочные погрузчики

Вилочный погрузчик на топливных элементах (также называемый погрузчиком на топливных элементах) — это промышленный вилочный погрузчик на топливных элементах , используемый для подъема и транспортировки материалов. использовалось более 4000 вилочных погрузчиков на топливных элементах . при погрузочно-разгрузочных работах В 2013 году в США из них 500 получили финансирование от Министерства энергетики (2012 г.). По состоянию на 2024 год во всем мире будет работать около 50 000 водородных вилочных погрузчиков (большая часть из которых находится в США) по сравнению с 1,2 миллионами аккумуляторных электрических погрузчиков, которые были приобретены в 2021 году.

Большинство компаний в Европе и США не используют вилочные погрузчики, работающие на бензине, поскольку эти транспортные средства работают в закрытых помещениях, где необходимо контролировать выбросы, и вместо этого используют электрические вилочные погрузчики. Вилочные погрузчики, работающие на топливных элементах, можно заправить за 3 минуты, и их можно использовать на холодильных складах, где их производительность не ухудшается при более низких температурах. Блоки FC часто проектируются как замена.

Мотоциклы и велосипеды

В 2005 году британский производитель топливных элементов, работающих на водороде, Intelligent Energy (IE), выпустил первый рабочий мотоцикл, работающий на водороде, под названием ENV (Emission Neutral Vehicle). В мотоцикле достаточно топлива, чтобы проехать четыре часа и проехать 160 км (100 миль) по городской местности с максимальной скоростью 80 км/ч (50 миль в час). В 2004 году компания Honda разработала мотоцикл на топливных элементах, в котором использовалась система Honda FC Stack.

Другие примеры мотоциклов и велосипеды В число тех, кто использует водородные топливные элементы, входит скутер тайваньской компании APFCT. с использованием системы заправки итальянской Acta SpA. и скутер Suzuki Burgman с топливным элементом IE , получивший одобрение типа транспортного средства ЕС в 2011 году. Suzuki Motor Corp. и IE объявили о создании совместного предприятия для ускорения коммерциализации автомобилей с нулевым уровнем выбросов.

Самолеты

В 2003 году был поднят первый в мире винтовой самолет, полностью работающий на топливных элементах. Топливный элемент представлял собой конструкцию штабеля, которая позволяла интегрировать топливный элемент с аэродинамическими поверхностями самолета. К беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на топливных элементах относится БПЛА Horizon на топливных элементах, который в 2007 году установил рекорд дальности полета для небольшого БПЛА. Исследователи Boeing и отраслевые партнеры по всей Европе провели в феврале 2008 года экспериментальные летные испытания пилотируемого самолета, работающего только на топливных элементах и ​​легких батареях. с протонообменной мембраной (PEM) В самолете-демонстраторе топливных элементов, как его называли, использовалась гибридная система топливного элемента и литий-ионной батареи для питания электродвигателя, который был соединен с обычным пропеллером.

В 2009 году самолет «Ионный тигр» Военно-морской исследовательской лаборатории (НРЛ) использовал водородный топливный элемент и пролетел 23 часа 17 минут. Топливные элементы также проходят испытания и рассматриваются для обеспечения вспомогательной энергии в самолетах, заменяя генераторы на ископаемом топливе , которые ранее использовались для запуска двигателей и питания бортовых электрических нужд, одновременно сокращая выбросы углекислого газа. В 2016 году дрон Raptor E1 совершил успешный испытательный полет, используя топливный элемент, который был легче литий-ионной батареи, которую он заменил. Полет длился 10 минут на высоте 80 метров (260 футов), хотя, как сообщается, в топливном элементе было достаточно топлива для полета в течение двух часов. Топливо содержалось примерно в 100 твердых таблетках площадью 1 квадратный сантиметр (0,16 кв. дюйма), состоящих из запатентованного химиката, в картридже без давления. Гранулы физически прочны и работают при температуре до 50 °C (122 °F). Ячейка была от Arcola Energy.

Lockheed Martin Skunk Works Stalker — электрический БПЛА, работающий на твердооксидных топливных элементах.

Лодки

Лодка на топливных элементах ( Hydra ) в Лейпциге , Германия.

«Гидра » , лодка на топливных элементах на 22 человека, эксплуатировалась с 1999 по 2001 год на реке Рейн недалеко от Бонна , Германия. и использовался в качестве парома в Генте , Бельгия, во время конференции по электрическим лодкам в 2000 году. Он был полностью сертифицирован Germanischer Lloyd для пассажирских перевозок. Небольшое пассажирское судно «Земшип» производилось с 2003 по 2013 год. На нем использовались топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEMFC) мощностью 100 кВт и 7 свинцово-гелевых батарей. Благодаря этим системам, а также 12 резервуарам для хранения топлива, топливные элементы обеспечивали энергетическую мощность 560 В и 234 кВтч. Сделанный в Гамбурге , Германия, FCS Alsterwasser, представленный в 2008 году, был одним из первых пассажирских судов, работающих на топливных элементах и ​​способных перевозить 100 пассажиров. Технология гибридных топливных элементов, которая привела в действие этот корабль, была произведена компанией Proton Motor Fuel Cell GmbH.

В 2010 году был впервые выпущен MF Vågen, в котором использовались топливные элементы мощностью 12 кВт и 2-3-килограммовый металлогидридный аккумулятор водорода. Он также использует литиевые батареи емкостью 25 кВтч и двигатель постоянного тока мощностью 10 кВт. Hornblower Hybrid дебютировал в 2012 году. В нем используются дизельный генератор , аккумуляторы, фотоэлектрические элементы , энергия ветра и топливные элементы для получения энергии. Сделанный в Бристоле 12-местный гибридный паром Hydrogenesis находится в эксплуатации с 2012 года. SF-BREEZE — двухмоторная лодка, в которой используются топливные элементы мощностью 41 × 120 кВт. С резервуаром-хранилищем типа C сосуд под давлением может содержать 1200 кг LH2. Эти корабли находятся в эксплуатации и по сей день. В Норвегии первый паром, работающий на топливных элементах, работающих на жидком водороде, должен был пройти первые испытания в декабре 2022 года.

Подводные лодки типа 212 ВМС Германии и Италии используют топливные элементы, позволяющие оставаться под водой в течение нескольких недель без необходимости всплытия. U212A — неатомная подводная лодка, разработанная немецкой военно-морской верфью Howaldtswerke Deutsche Werft. Система состоит из девяти топливных элементов PEM мощностью от 30 до 50 кВт каждый. Корабль бесшумен, что дает ему преимущество в обнаружении других подводных лодок.

Портативные энергосистемы

Портативные системы топливных элементов обычно классифицируются как системы весом менее 10 кг и мощностью менее 5 кВт. Потенциальный размер рынка топливных элементов меньшего размера довольно велик: потенциальные темпы роста до 40% в год и размер рынка около 10 миллиардов долларов, что требует большого количества исследований, посвященных разработке портативных энергетических элементов. Внутри этого рынка были выявлены две группы. Первый — это рынок микротопливных элементов мощностью от 1 до 50 Вт для небольших электронных устройств. Второй — это генераторы мощностью 1–5 кВт для производства электроэнергии в больших масштабах (например, на военных аванпостах, отдаленных нефтяных месторождениях).

Микротопливные элементы в первую очередь нацелены на проникновение на рынок телефонов и ноутбуков. В первую очередь это можно объяснить выгодной плотностью энергии, обеспечиваемой топливными элементами по сравнению с литий-ионной батареей для всей системы. Для аккумулятора эта система включает в себя зарядное устройство, а также сам аккумулятор. Для топливного элемента эта система будет включать сам элемент, необходимое топливо и периферийные приспособления. Принимая во внимание всю систему, было показано, что топливные элементы обеспечивают 530 Втч/кг по сравнению с 44 Втч/кг для литий-ионных батарей. Однако, хотя вес систем топливных элементов дает явное преимущество, текущие затраты не в их пользу. в то время как аккумуляторная система обычно стоит около 1,20 доллара за Втч, системы на топливных элементах стоят около 5 долларов за Втч, что ставит их в невыгодное положение.

Поскольку потребность в электроэнергии для мобильных телефонов возрастает, топливные элементы могут стать гораздо более привлекательным вариантом для более крупного производства электроэнергии. Потребители часто требуют более длительного времени работы телефонов и компьютеров, поэтому топливные элементы могут начать продвигаться на рынки ноутбуков и мобильных телефонов. Цена продолжит снижаться, поскольку развитие топливных элементов продолжает ускоряться. Текущая стратегия улучшения микротопливных элементов заключается в использовании углеродных нанотрубок . Это было показано Гиришкумаром и др. что осаждение нанотрубок на поверхности электродов позволяет значительно увеличить площадь поверхности, увеличивая скорость восстановления кислорода.

Топливные элементы для использования в более масштабных операциях также показывают большие перспективы. Портативные энергетические системы, в которых используются топливные элементы, могут использоваться в секторе отдыха (т. е. автодома, домики, морские суда), промышленном секторе (т. е. электроснабжение удаленных мест, включая газовые/нефтяные скважины, башни связи, службы безопасности, метеостанции), а также в военный сектор. SFC Energy — немецкий производитель топливных элементов с прямым метаноловым топливом для различных портативных энергетических систем. Ensol Systems Inc. — интегратор портативных энергосистем, использующих SFC Energy DMFC. Ключевым преимуществом топливных элементов на этом рынке является высокая выработка энергии на единицу веса. Хотя топливные элементы могут быть дорогими, для отдаленных мест, где требуется надежная энергия, топливные элементы обладают большой мощностью. Для 72-часового путешествия сравнение по весу является существенным: топливный элемент весит всего 15 фунтов по сравнению с 29 фунтами батарей, необходимых для той же энергии.

Другие приложения

• Обеспечение электропитанием базовых станций или сотовых станций
• Системы аварийного электроснабжения — это тип системы топливных элементов, которая может включать освещение, генераторы и другое оборудование для обеспечения резервных ресурсов в случае кризиса или при выходе из строя обычных систем. Они находят применение в самых разных условиях: от жилых домов до больниц, научных лабораторий, центров обработки данных .
• Телекоммуникации оборудование и современные военные корабли.
• Источник бесперебойного питания ( ИБП ) обеспечивает аварийное питание и, в зависимости от топологии, обеспечивает регулирование линии, а также подключенного оборудования, подавая питание от отдельного источника, когда электроэнергия недоступна. В отличие от резервного генератора, он может обеспечить мгновенную защиту от кратковременного отключения электроэнергии.
• Смартфоны , ноутбуки и планшеты для использования в местах, где зарядка от переменного тока может быть недоступна.
• Портативная зарядная станция для мелкой электроники (например, зажим для ремня, который заряжает сотовый телефон или КПК ).
• Малые отопительные приборы
• Сохранение пищевых продуктов , достигаемое за счет истощения кислорода и автоматического поддержания истощения кислорода в транспортном контейнере, содержащем, например, свежую рыбу.
• Датчики, в том числе в алкотестерах , где величина напряжения, генерируемого топливным элементом, используется для определения концентрации топлива (спирта) в образце.

Заправочные станции

Основные статьи: Водородная станция и Водородное шоссе.

Водородная заправочная станция

По данным отраслевой группы FuelCellsWorks, по состоянию на конец 2019 года 330 водородных заправочных станций . по всему миру было открыто По состоянию на июнь 2020 года в Азии действовало 178 общедоступных водородных станций. 114 из них находились в Японии. В Европе было не менее 177 станций, и около половины из них находились в Германии. В США было 44 общедоступных станции, 42 из которых располагались в Калифорнии.

Стоимость строительства водородной заправочной станции составляет от 1 до 4 миллионов долларов.

Социальные последствия

По состоянию на 2023 год технологические барьеры на пути внедрения топливных элементов сохраняются. Топливные элементы предназначены в первую очередь для погрузочно-разгрузочных работ на складах, распределительных центрах и производственных объектах. Предполагается, что они будут полезны и устойчивы в более широком спектре применений. Однако текущие заявки не часто доходят до сообществ с низкими доходами. хотя предпринимаются некоторые попытки инклюзивности, например, в области доступности.

Рынки и экономика

Основные статьи: Водородная экономика и Экономика метанола

В 2012 году доходы индустрии топливных элементов во всем мире превысили 1 миллиард долларов, при этом страны Азиатско-Тихоокеанского региона поставляли более 3/4 систем топливных элементов по всему миру. Однако по состоянию на январь 2014 года ни одна публичная компания в отрасли еще не стала прибыльной. В 2010 году по всему миру было отправлено 140 000 батарей топливных элементов по сравнению с 11 000 поставок в 2007 году, а с 2011 по 2012 год ежегодные темпы роста поставок топливных элементов по всему миру составили 85%. Танака Кикинзоку расширила свои производственные мощности в 2011 году. Примерно 50% поставок топливных элементов в 2010 году составили стационарные топливные элементы, по сравнению с примерно одной третью в 2009 году, а четырьмя доминирующими производителями в отрасли топливных элементов были США, Германия, Япония и Южная Корея. Альянс по преобразованию твердотельной энергии Министерства энергетики обнаружил, что по состоянию на январь 2011 года стационарные топливные элементы производили электроэнергию по цене примерно от 724 до 775 долларов за установленный киловатт. В 2011 году компания Bloom Energy, крупный поставщик топливных элементов, заявила, что ее топливные элементы производят электроэнергию по цене 9–11 центов за киловатт-час, включая цену на топливо, техническое обслуживание и оборудование.

Промышленные группы прогнозируют, что существует достаточно ресурсов платины для будущего спроса. а в 2007 году исследования в Брукхейвенской национальной лаборатории показали, что платину можно заменить золото- палладиевым покрытием, которое может быть менее подвержено отравлению и тем самым увеличить срок службы топливных элементов. Другой метод предполагает использование железа и серы вместо платины. Это снизит стоимость топливного элемента (поскольку платина в обычном топливном элементе стоит около 1500 долларов США , а такое же количество железа стоит всего около 1,50 долларов США ). Концепция разрабатывалась коалицией Центра Джона Иннеса и Университета Милана-Бикокка . Катоды PEDOT невосприимчивы к отравлению угарным газом .

В 2016 году Samsung «решила отказаться от бизнес-проектов, связанных с топливными элементами, поскольку перспективы рынка не очень хорошие».

Исследования и разработки

• 2005: Исследователи Технологического института Джорджии использовали триазол для повышения рабочей температуры топливных элементов PEM с менее 100 ° C до более 125 ° C, утверждая, что это потребует меньше очистки водородного топлива от окиси углерода.
• 2008: Университет Монаша использовал в Мельбурне PEDOT в качестве катода .
• 2009: Исследователи из Дейтонского университета в Огайо показали, что массивы вертикально выращенных углеродных нанотрубок можно использовать в качестве катализатора в топливных элементах. В том же году был продемонстрирован катализатор для топливных элементов на основе никелевого бисдифосфина.
• 2013: Британская фирма ACAL Energy разработала топливный элемент, который, по ее словам, может работать 10 000 часов в моделируемых условиях вождения. В нем утверждается, что стоимость конструкции топливных элементов можно снизить до 40 долларов за киловатт (примерно 9000 долларов за 300 л.с.).
• 2014: Исследователи Имперского колледжа Лондона разработали новый метод регенерации PEFC, загрязненных сероводородом . Они восстановили 95–100% первоначальных характеристик PEFC, загрязненного сероводородом. Им также удалось восстановить загрязненный SO ₂ PEFC. Этот метод регенерации применим к нескольким стопкам ячеек.
• 2019: Исследователи исследовательской лаборатории армии США разработали топливный элемент для выработки водорода на месте, состоящий из двух частей: одна часть для выработки водорода, а другая для выработки электроэнергии с помощью внутренней водородно-воздушной электростанции.
• 2022: Исследователи из Университета Делавэра разработали топливный элемент на водороде, который, по прогнозам, будет работать с меньшими затратами и будет работать при цене примерно 1,4 доллара США за кВт. Эта конструкция удаляет углекислый газ из воздуха, подаваемого в топливные элементы с гидроксидообменной мембраной .

См. также

• Бионано генератор
• Криптофан
• Информационный центр разработки топливных элементов
• Совместная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду
• Сетевое хранилище энергии
• Водородные реформы
• Хранение водорода
• Водородные технологии
• Список производителей топливных элементов
• Реформатор метанола
• ПЭМ-электролиз

Дальнейшее чтение

• Вильстих, В.; и др., ред. (2009). Справочник по топливным элементам: достижения в области электрокатализа, материалов, диагностики и долговечности . Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
• Грегор Хугерс (2003). Технология топливных элементов – Справочник . ЦРК Пресс.
• Джеймс Лармини; Эндрю Дикс (2003). Объяснение систем топливных элементов (второе изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
• Субаш К. Сингхал; Кевин Кендалл (2003). Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы: основы, конструкция и применение . Эльзевир Академик Пресс.
• Франо Барбир (2005). Топливные элементы PEM – теория и практика . Эльзевир Академик Пресс.
• EG&G Технические услуги, Inc. (2004 г.). Справочник по технологиям топливных элементов, 7-е издание . Министерство энергетики США.
• Мэтью М. Менч (2008). Двигатели на топливных элементах . Хобокен: John Wiley & Sons, Inc.
• Норико Хикосака Белинг (2012). Топливные элементы: текущие технологические проблемы и будущие потребности исследований (первое изд.). Эльзевир Академик Пресс. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

Внешние ссылки

• Происхождение топливных элементов: 1840–1890 гг.
• EERE: Программа «Водород, топливные элементы и инфраструктурные технологии»
• Термодинамика электролиза водных и водородных топливных элементов
• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS: «Топливные элементы»