• Ingen resultater fundet

4  T HE NATURE OF FUEL CELLS

4.1   I NTRODUCTION

In most countries, the energy supply consists of a small percentage of intermittent re‐

sources as well as combustion technologies in vehicles, power plants and CHP plants. The  perspective in replacing conventional technologies with more efficient fuel cells is depend‐

ent on the characteristics of the different fuel cell types available.  

Fuel cells generally consist of the cell, in which an electrochemical reaction takes place; the  stacks, in which the cells are combined to the desired power capacity; and the balance of  the plant, which comprises systems for handling fuel, heat, electric power conditioning, and  other systems required around the cell. 

Fuel cells are comparable to batteries, except from the fact that they are not limited by the  amount of energy stored in the cell itself. In these cells, chemical energy is converted di‐

rectly into electricity. This provides higher efficiencies than in traditional technologies, in  which the energy content in fuels is converted into thermal energy, then mechanical energy  and finally electricity. The higher efficiencies also imply a significant reduction of emissions.  

Although certain types of fuel cells are mainly considered for mobile and others for station‐

ary use, this is not determined yet. The characteristics of the fuel cell types, however, make  certain potential applications more probable than others. Fuel cell types are named after  their electrolyte, which also determines their operating temperature. In Table 1, the main  characteristics of the five main types of fuel cells are listed.  

Please note the fact that such comparisons are subject to the different preconditions and  characteristics of the different fuel cells. Thus, these preconditions should be taken into  account when comparing e.g. efficiencies. In Mathiesen and Nielsen (2008) [1], the data  sheets for different fuel cell systems are presented.  

Fuel cells  AFC  PEMFC  PAFC  MCFC  SOFC 

Name (electrolyte)  Alkaline 

Polymer  exchange  membrane 

Immobilised  phosphoric acid 

Immobilised  molten carbon‐

ate 

Solid oxide  conducting  ceramic 

Catalyst  Platinum  Platinum2 Platinum Nickel  Perovskite3

Operating temp.  40‐100 ºC  60‐200 ºC 180‐220 ºC 550‐700 ºC  500‐1000 ºC

Fuel(s)  Perfectly pure 

H2 

Pure H2 or 

CH3OH  Pure H2 

H2, CO, NH3 hydrocarbons, 

alcohols 

H2, CO, NH3 hydrocarbons, 

alcohols 

Intolerant to   CO, CO2  CO, S, NH3 CO, S, NH3 S

Potential electric eff. %4  60  40‐55 45 60  60

Potential applications  Mobile units  space, military 

Mobile units,  micro‐CHP 

Smaller CHP  units 

Larger CHP   units 

From large to  micro‐CHP  Table 1, Characteristics of the five main types of fuel cells and potential areas of use. [24‐37]. 

In all fuel cell types, the core consists of a cell with an electrolyte and two electrodes; the  anode and the cathode. In Fig. 7, the reactions in different fuel cells are illustrated. Hydro‐

gen and oxygen are converted into water producing electricity and heat. The conversion of  fuels takes places in a chemical process, in which the catalytic active electrodes convert the  fuel into positive ions and oxygen into negative ions. The precise reactions depend on the  type of fuel cell. The ions cross the electrolyte and form water and possibly CO2, depending  on the fuel and the fuel cell. Only protons can cross the electrolyte while creating a voltage  difference between the anode and the cathode in the cell; thus, the electrons cross to the  anode section in an external circuit. The output is DC electricity from the flow of electrons  from one side of the cell to another. [25]  

The advantages of lower temperature fuel cells are mainly related to the fact that they are  compact, lightweight and have a quick start‐up and shut‐down potential. This, combined  with the fact that the efficiency of the fuel cells cannot compete with other larger power‐

producing technologies, makes transport and mobile applications most promising. In these  cases, fuel cells can compete with the efficiencies of existing technologies. They may poten‐

tially contribute to the supply as small‐scale micro‐CHP plants. For larger stationary applica‐

tions, other technologies have already today proven to have better efficiencies.   

Alkaline fuel cells (AFCs) are highly reliable, rather compact, and have low material costs; 

but no widespread commercial use is expected, because of the costs related to the exten‐

sive gas purification needs [25;26]. AFCs have been used for extraterrestrial applications, 

       

2 May also consist of platinum in combination with ruthenium and molybdenum depending on the CO contents in the fuel. This is espe‐

cially the case of DMFC. In HT‐PEM, the catalyst is often pure platinum. 

3 May contain nickel if the fuel is hydrocarbons, e.g. natural gas or methanol. 

4 Potential efficiencies depend on the stack load. Total efficiency may be more than 90 per cent, but is dependent on the cooling system 

and the operation temperature. For AFC, the efficiency is dependent on the existence of perfectly pure hydrogen at the anode and pure 

e.g. the manned Apollo missions, which has no price issue, availability of pure oxygen prob‐

lems, and in which the excess water is useful for astronauts.  The lifetime of AFCs is rather  short and is not expected to increase with further research; thus, mainly mobile applica‐

tions should be considered. In recent years, research has shown that the purification needs  may be lower than expected. Micro‐CHP based on AFC is also still being investigated [27]. 

Phosphoric acid fuel cells (PAFCs) are widely used today as emergency power and stand‐

alone units in hospitals, schools and hotels. They have been commercially available since  1992, but the costs of PAFCs are still about three times higher than those of other compa‐

rable alternatives. The main problems related to PAFCs are based on the fact that they are  dependent on noble metals for the electrodes and the fact that their reported efficiencies  are not considerably better than those of other technologies. [24‐26;38] 

The AFCs and the PAFCs are often considered the most developed fuel cells of the five  types mentioned [28]. However, although variants of both types are still developed, it will  hardly be possible to improve the two main challenges, namely the lifetime of AFCs and the  cost level of PAFCs, respectively [25;27].  

 

Fig. 7, Schemas of different fuel cell types 

PEMFCs are characterised by a rather simple design and fast start‐up. Different variants of  PEMFCs are available, including low temperature fuel cells operating at 60‐80 ºC; high tem‐

perature fuel cells (HT‐PEMFC) operating at 140‐200 ºC, and direct methanol fuel cells  (DMFCs) ) typically operated at temperatures somewhat below 60 °C due to issues related  to the system water balance.  PEMFCs and HT‐PEMFCs can be utilised in almost all applica‐

tions in which high temperature heat is not required, such as in micro‐CHP as household  heating systems, transport or smaller devices. DMFCs are mainly considered for small port‐

able devices, such as mobile phones, computers, etc. [25;29;39] 

The main advantages of high temperature fuel cells are the higher efficiencies and the fuel  flexibility which they offer. Other advantages include high operating temperatures, which  allow internal reforming or direct conversion and thus enable a rather simple system design  as well as the option of integrating these systems with heat engine based bottoming cycles  enabling even better net system efficiencies. Moreover, they are constructed from rather  cheap materials and do not contain noble metals.  

While molten carbonate fuel cells (MCFCs) have high efficiencies, they require the input of 

CO2 with ambient air on the cathode side. Also the electrolyte of the MCFC is heavily corro‐

sive, which is the main problem in these cells today. Research is still being conducted in  order to improve the cells, mainly for applications to larger CHP and power plants, though  the efforts have decreased. [25;34] 

SOFCs may be more promising in the future. They have already proven to have rather long  lifetimes when not thermally cycled, and theoretically, high efficiencies may be achieved in  SOFC systems. However, SOFCs may have problems with thermal stresses and degradation. 

Third generation metal‐supported cells, which are currently being developed, are expected  to reduce these problems and increase the power density of the cells [40]. 

All fuel cells can operate on hydrogen. While some fuel cells require higher hydrogen puri‐

ties than others, high temperature SOFCs and MCFCs can operate directly on methane rich  fuels, such as natural gas. Electrolyses as well as biomass‐derived fuels can be combined  with a synthesis process, thus enabling the production of other fuels than hydrogen for fuel  cells.  

In the MCFC and the SOFC, the electrolyte conducts ions from the cathode side to the an‐

ode side. In the PEMFC and PAFC, hydrogen passes from anode to cathode. For the two  high temperature fuel cells, this means that a wide range of fuels, including natural gas,  biogas, ethanol, diesel, LPG, methanol, etc., can be used without reforming the fuel com‐

pletely into hydrogen and CO[41;42]. 

Some fuel cells are very versatile in terms of their ability to utilise different fuels. Others 

paths can be divided into two categories; one involving the fuels that can be converted di‐

rectly, i.e. meets the required characteristics, and the second involving the fuels that can be  procured to meet these standards.  

PEMFCs and SOFCs are described in further detail below, as are the balance of plant  equipment and the start‐up, operation and regulation abilities of grid‐connected fuel cells. 

Further details about AFCs, PAFCs and MCFCs are included in Mathiesen and Nielsen (2008)  [1]. 

4.2 The characteristics and applications of proton exchange membrane fuel cell