เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่แปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิง (มักเป็นไฮโดรเจน ) และสารออกซิไดซ์ (มักเป็นออกซิเจน) ^{[ 1 ]} ให้เป็นไฟฟ้าผ่าน ปฏิกิริยารีดอกซ์คู่หนึ่ง^{[ 2 ]}เซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากแบตเตอรี่ ส่วนใหญ่ ตรงที่ต้องใช้แหล่งเชื้อเพลิงและออกซิเจนอย่างต่อเนื่อง (โดยปกติมาจากอากาศ) เพื่อรักษาปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่ในแบตเตอรี่ พลังงานเคมีมักมาจากสารที่อยู่ในแบตเตอรี่อยู่แล้ว^{[ 3 ]}เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตราบใดที่มีการป้อนเชื้อเพลิงและออกซิเจน

เซลล์เชื้อเพลิงเครื่องแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยเซอร์วิลเลียม โกรฟในปี ค.ศ. 1838 การใช้งานเชิงพาณิชย์ครั้งแรกของเซลล์เชื้อเพลิงเกิดขึ้นเกือบหนึ่งศตวรรษต่อมาหลังจากการประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนโดยฟรานซิส โทมัส เบคอนในปี ค.ศ. 1932 เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์หรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เชื้อเพลิงเบคอนตามชื่อผู้ประดิษฐ์ ได้ถูกนำมาใช้ใน โครงการอวกาศ ของ NASAตั้งแต่กลางทศวรรษ ค.ศ. 1960 เพื่อสร้างพลังงานให้กับดาวเทียมและแคปซูลอวกาศนับตั้งแต่นั้นมา เซลล์เชื้อเพลิงก็ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันอื่นๆ อีกมากมาย เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้สำหรับพลังงานหลักและพลังงานสำรองสำหรับอาคารพาณิชย์ อุตสาหกรรม และที่อยู่อาศัย รวมถึงในพื้นที่ห่างไกลหรือเข้าถึงยาก นอกจากนี้ยังใช้ในการขับเคลื่อนยานพาหนะที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเช่น รถยก รถยนต์ รถบัส^{[ 4 ]}รถไฟ เรือ รถจักรยานยนต์ และเรือดำน้ำ

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท แต่ทั้งหมดประกอบด้วยขั้วบวกขั้วลบและ อิ เล็กโทรไลต์ซึ่งช่วยให้ไอออน ซึ่งมักเป็นไอออนไฮโดรเจนที่มีประจุบวก (โปรตอน) เคลื่อนที่ระหว่างสองด้านของเซลล์เชื้อเพลิง ที่ขั้วบวก ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้เชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่สร้างไอออน (มักเป็นไอออนไฮโดรเจนที่มีประจุบวก) และอิเล็กตรอน ไอออนจะเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังขั้วลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแส ไฟฟ้า ตรงที่ขั้วลบ ตัวเร่งปฏิกิริยาอีกตัวหนึ่งจะทำให้ไอออน อิเล็กตรอน และออกซิเจนทำปฏิกิริยากัน เกิดเป็นน้ำและอาจมีผลิตภัณฑ์อื่นๆ เซลล์เชื้อเพลิงถูกจำแนกตามชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้และตามความแตกต่างของเวลาเริ่มต้นทำงาน ซึ่งมีตั้งแต่ 1 วินาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM fuel cells หรือ PEMFC) ไปจนถึง 10 นาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC) เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องคือแบตเตอรี่แบบไหลซึ่งสามารถสร้างเชื้อเพลิงขึ้นใหม่ได้โดยการชาร์จใหม่ เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์สร้างศักย์ไฟฟ้าค่อนข้างน้อย ประมาณ 0.7 โวลต์ ดังนั้นเซลล์จึงถูก "เรียงซ้อน" หรือวางแบบอนุกรม เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอต่อความต้องการของแอปพลิเคชัน^{[ 5 ]}นอกเหนือจากไฟฟ้าแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงยังผลิตไอน้ำ ความร้อน และขึ้นอยู่กับแหล่งเชื้อเพลิง อาจ ผลิต ไนโตรเจนไดออกไซด์และสารปล่อยมลพิษอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย เซลล์ PEMFC โดยทั่วไปจะผลิตไนโตรเจนออกไซด์น้อยกว่าเซลล์ SOFC เนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง และจำกัดการแพร่กระจายของไนโตรเจนเข้าไปในแอโนดผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งก่อให้เกิดNOxประสิทธิภาพพลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 40 ถึง 60% อย่างไรก็ตาม หากมีการดักจับความร้อนเหลือทิ้งใน ระบบ การผลิตพลังงานร่วมประสิทธิภาพอาจสูงถึง 85% ^{[ 6 ]}

การอ้างอิงถึง เซลล์เชื้อเพลิง ไฮโดรเจน ครั้งแรก ปรากฏขึ้นในปี 1838 ในจดหมายลงวันที่ตุลาคม 1838 แต่ตีพิมพ์ในฉบับเดือนธันวาคม 1838 ของThe London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Scienceนักฟิสิกส์และทนายความชาวเวลส์ เซอร์วิลเลียม โกรฟได้เขียนเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงแบบหยาบตัวแรกของเขา เขาใช้แผ่นเหล็ก ทองแดง และแผ่นพอร์เซเลนผสมกัน และใช้สารละลายซัลเฟตของทองแดงและกรดเจือจาง^{[ 7 ] [ 8 ]}ในจดหมายถึงสิ่งพิมพ์เดียวกันที่เขียนในเดือนธันวาคม 1838 แต่ตีพิมพ์ในเดือนมิถุนายน 1839 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันคริสเตียน ฟรีดริช เชินไบน์ได้กล่าวถึงเซลล์เชื้อเพลิงแบบหยาบตัวแรกที่เขาคิดค้นขึ้น จดหมายของเขากล่าวถึงกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ละลายในน้ำ^{[ 9 ]}ต่อมาโกรฟได้ร่างแบบของเขาในปี 1842 ในวารสารเดียวกัน เซลล์เชื้อเพลิงที่เขาทำนั้นใช้วัสดุที่คล้ายกับเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกใน ปัจจุบัน ^{[ 10 ] [ 11 ]}

ในปี พ.ศ. 2475 วิศวกรชาวอังกฤษฟรานซิส โทมัส เบคอนประสบความสำเร็จในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ขนาด 5 กิโลวัตต์^{[ 12 ]}นาซาใช้เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) หรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เชื้อเพลิงเบคอนตามชื่อผู้คิดค้น ตั้งแต่กลางทศวรรษ พ.ศ. 2503 ^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในปี พ.ศ. 2498 W. Thomas Grubb นักเคมีที่ทำงานให้กับ บริษัท General Electric (GE) ได้ปรับปรุงการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงดั้งเดิมเพิ่มเติมโดยใช้เยื่อแลกเปลี่ยนไอออนโพลีสไตรีนซัลโฟเนตเป็นอิเล็กโทรไลต์ สามปีต่อมา Leonard Niedrach นักเคมีอีกคนของ GE ได้คิดค้นวิธีการตกตะกอนแพลทินัมลงบนเยื่อ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนและปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนที่จำเป็น สิ่งนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "เซลล์เชื้อเพลิง Grubb-Niedrach" ^{[ 14 ] [ 15 ]} GE ได้พัฒนาเทคโนโลยีนี้ร่วมกับ NASA และ McDonnell Aircraft ซึ่งนำไปสู่การใช้งานในโครงการ Geminiนี่เป็นการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์ครั้งแรก ในปี พ.ศ. 2492 ทีมงานที่นำโดย Harry Ihrig ได้สร้างรถแทรกเตอร์เซลล์เชื้อเพลิงขนาด 15 กิโลวัตต์สำหรับAllis-Chalmersซึ่งได้รับการสาธิตทั่วสหรัฐอเมริกาในงานแสดงสินค้าของรัฐ ระบบนี้ใช้โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นอิเล็กโทรไลต์และไฮโดรเจนและออกซิเจนอัดเป็นสารตั้งต้น ต่อมาในปี 1959 เบคอนและเพื่อนร่วมงานได้สาธิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 5 กิโลวัตต์ที่ใช้งานได้จริง ซึ่งสามารถจ่ายไฟให้กับเครื่องเชื่อมได้ ในช่วงทศวรรษ 1960 บริษัทPratt & Whitneyได้รับอนุญาตให้ใช้สิทธิบัตรของเบคอนในสหรัฐอเมริกาเพื่อใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐฯ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและน้ำดื่ม (เนื่องจากไฮโดรเจนและออกซิเจนมีอยู่แล้วในถังของยานอวกาศ)

UTC Powerเป็นบริษัทแรกที่ผลิตและจำหน่ายระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่เพื่อใช้เป็น โรงไฟฟ้าพลังงาน ร่วมในโรงพยาบาล มหาวิทยาลัย และอาคารสำนักงานขนาดใหญ่^{[ 16 ]}

เพื่อเป็นการยกย่องอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิงและบทบาทของอเมริกาในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง วุฒิสภาสหรัฐอเมริกาจึงกำหนดให้วันที่ 8 ตุลาคม 2558 เป็นวันไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงแห่งชาติโดยผ่านมติ S. RES 217 วันดังกล่าวถูกเลือกเพื่อเป็นการยกย่องน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจน (1.008) ^{[ 17 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท แต่โดยพื้นฐานแล้วทำงานในลักษณะเดียวกัน คือ ประกอบด้วยส่วนประกอบสามส่วนที่อยู่ติดกัน ได้แก่ขั้วบวกขั้วลบและ สารละลายอิเล็ก โทรไลต์ปฏิกิริยาเคมีสองอย่างเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อของส่วนประกอบทั้งสามส่วน ผลลัพธ์สุทธิของปฏิกิริยาทั้งสองคือ เชื้อเพลิงถูกใช้ไป น้ำหรือคาร์บอนไดออกไซด์ถูกสร้างขึ้น และกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น ซึ่งสามารถนำไปใช้จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าโหลด

ที่ขั้วบวกตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้เชื้อเพลิงแตกตัวเป็นไอออน เปลี่ยนเชื้อเพลิงให้กลายเป็นไอออนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ สารละลายอิเล็กโทรไลต์เป็นสารที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้ไอออนสามารถผ่านได้ แต่อิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านได้ อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะเคลื่อนที่ผ่านสายไฟทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์ไปยังขั้วลบ เมื่อถึงขั้วลบ ไอออนจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนอีกครั้ง และทั้งสองจะทำปฏิกิริยากับสารเคมีตัวที่สาม ซึ่งโดยปกติคือออกซิเจน เพื่อสร้างน้ำหรือคาร์บอนไดออกไซด์

คุณลักษณะการออกแบบในเซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วย:

• สารอิเล็กโทรไลต์ซึ่งโดยปกติจะกำหนดประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง สามารถผลิตได้จากสารหลายชนิด เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เกลือคาร์บอเนต และกรดฟอสฟอริก^{[ 18 ]}
• เชื้อเพลิงที่ใช้กันมากที่สุดคือไฮโดรเจน
• ตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด ซึ่งโดยทั่วไปคือผงแพลทินัมละเอียด จะสลายเชื้อเพลิงให้กลายเป็นอิเล็กตรอนและไอออน
• ตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด ซึ่งมักจะเป็นนิกเกล จะเปลี่ยนไอออนให้เป็นสารเคมีที่เป็นของเสีย โดยน้ำเป็นของเสียประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด^{[ 19 ]}
• ชั้นการแพร่กระจายก๊าซที่ออกแบบมาเพื่อต้านทานการออกซิเดชัน^{[ 19 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงจะสร้างแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 0.6 ถึง 0.7 โวลต์ที่โหลดเต็มพิกัด แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เนื่องจากหลายปัจจัย:

• การสูญเสียการกระตุ้น
• การสูญเสียโอห์มิก ( แรงดันตกเนื่องจากความต้านทานของส่วนประกอบเซลล์และการเชื่อมต่อ)
• การสูญเสียการขนส่งมวล (การลดลงของสารตั้งต้นที่ไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้ภาระสูง ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว) ^{[ 20 ]}

เพื่อให้ได้พลังงานในปริมาณที่ต้องการ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำมาต่อกันแบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า ที่สูงขึ้น และต่อกันแบบขนานเพื่อให้สามารถ จ่าย กระแสไฟฟ้า ได้มากขึ้น การออกแบบเช่นนี้เรียกว่าชุดเซลล์เชื้อเพลิงนอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มพื้นที่ผิวของเซลล์เพื่อให้แต่ละเซลล์สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นด้วย

ในการออกแบบ เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนไฮโดรเจนออกไซด์(PEMFC) แบบดั้งเดิม เมมเบรนพอลิเมอร์นำโปรตอน (โดยทั่วไปคือนาฟิออน ) จะบรรจุ สารละลาย อิเล็กโทรไลต์ที่แยกด้านแอโนดและแคโทด ออกจากกัน ^{[ 24 ] [ 25 ]} ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ก่อนที่กลไกการแลกเปลี่ยนโปรตอนจะได้รับการเข้าใจอย่างดี เซลล์เชื้อเพลิง ชนิดนี้เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์แข็ง ( SPEFC ) (โปรดสังเกตว่าคำพ้องความหมายเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์และกลไกการแลกเปลี่ยนโปรตอน ส่งผลให้ได้ ตัวย่อเดียวกัน)

ทางด้านขั้วบวก ไฮโดรเจนจะแพร่ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วบวก จากนั้นจะแตกตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนเหล่านี้มักทำปฏิกิริยากับสารออกซิไดซ์ ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกกันทั่วไปว่าเยื่อโปรตอนแบบหลายตัวช่วย โปรตอนจะถูกนำผ่านเยื่อไปยังขั้วลบ แต่อิเล็กตรอนถูกบังคับให้เดินทางในวงจรภายนอก (ที่จ่ายพลังงาน) เนื่องจากเยื่อเป็นฉนวนไฟฟ้า ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วลบ โมเลกุลของออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน (ซึ่งเดินทางผ่านวงจรภายนอก) และโปรตอนเพื่อสร้างน้ำ

นอกจากไฮโดรเจนบริสุทธิ์แล้ว ยังมี เชื้อเพลิง ไฮโดรคาร์บอนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง ได้แก่ดีเซลเมทานอล ( ดู: เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงและเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลทางอ้อม ) และไฮไดรด์เคมี ของเสียที่เกิดขึ้นจากเชื้อเพลิงประเภทเหล่านี้คือคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ เมื่อใช้ไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์_จะถูกปล่อยออกมาเมื่อมีเทนจากก๊าซธรรมชาติรวมกับไอน้ำ ในกระบวนการที่เรียกว่าการปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในสถานที่อื่นที่ไม่ใช่เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งอาจทำให้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถใช้งานได้ในที่ร่ม เช่น ในรถยก

ส่วนประกอบต่างๆ ของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ได้แก่

1. แผ่นไบโพลาร์
2. อิเล็กโทรด
3. ตัว เร่งปฏิกิริยา
4. เยื่อหุ้มเซลล์ และ
5. ฮาร์ดแวร์ที่จำเป็น เช่น ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าและปะเก็น^{[ 26 ]}

วัสดุที่ใช้สำหรับส่วนต่างๆ ของเซลล์เชื้อเพลิงจะแตกต่างกันไปตามประเภท แผ่นไบโพลาร์อาจทำจากวัสดุหลายประเภท เช่น โลหะ โลหะเคลือบกราไฟต์ กราไฟต์แบบยืดหยุ่น คอมโพสิต C–C คอมโพสิตคาร์บอน- พอลิเมอร์ เป็นต้น^{[ 27 ]}ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) ถือเป็นหัวใจของ PEMFC และมักทำจากเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่ประกบอยู่ระหว่างกระดาษคาร์บอนเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยา สองแผ่น แพลทินัมและ/หรือโลหะมี ค่าประเภทเดียวกัน มักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับ PEMFC และโลหะเหล่านี้อาจปนเปื้อนด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ทำให้จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์^{[ 28 ]}อิเล็กโทรไลต์อาจเป็นเมมเบรน พอลิเมอ ร์

ค่าใช้จ่าย

ในปี 2556 กระทรวงพลังงานประเมินว่าต้นทุนของระบบเซลล์เชื้อเพลิงรถยนต์ขนาด 80 กิโลวัตต์จะอยู่ที่67 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อกิโลวัตต์ หากสมมติว่ามีการผลิตในปริมาณ 100,000 หน่วยต่อปี และจะอยู่ที่ 55 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ หากสมมติว่ามีการผลิตในปริมาณ 500,000 หน่วยต่อปี^{[ 29 ]}หลายบริษัทกำลังพัฒนาเทคนิคเพื่อลดต้นทุนในหลากหลายวิธี รวมถึงการลดปริมาณแพลทินัมที่จำเป็นในแต่ละเซลล์Ballard Power Systemsได้ทดลองใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสริมด้วยไหมคาร์บอน ซึ่งช่วยลดการใช้แพลทินัมลง 30% (1.0–0.7 มก./ซม. ^² ) โดยไม่ลดประสิทธิภาพ^{[ 30 ]}มหาวิทยาลัย Monashในเมลเบิร์นใช้PEDOTเป็นแคโทด^{[ 31 ]}การศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2011 ^{[ 32 ]}ได้บันทึกตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าแบบปราศจากโลหะตัวแรกโดยใช้ท่อนาโนคาร์บอน ที่เจือปนซึ่งมีราคาค่อนข้างถูก ซึ่งมีราคาต่ำกว่าแพลทินัม 1% และมีประสิทธิภาพเท่าเทียมหรือเหนือกว่า บทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้แสดงให้เห็นว่าภาระด้านสิ่งแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อใช้ท่อนาโนคาร์บอนเป็นพื้นผิวคาร์บอนสำหรับแพลทินัม^{[ 33 ]}

การจัดการน้ำและอากาศ^{[ 34 ] [ 35 ]} (ใน PEMFCs)

ในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ เมมเบรนต้องได้รับความชุ่มชื้น ซึ่งหมายความว่าน้ำจะต้องระเหยในอัตราที่เท่ากับอัตราการผลิตน้ำอย่างแม่นยำ หากน้ำระเหยเร็วเกินไป เมมเบรนจะแห้ง ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น และในที่สุดก็จะแตก ทำให้เกิด "การลัดวงจร" ของก๊าซ ซึ่งไฮโดรเจนและออกซิเจนจะรวมตัวกันโดยตรง ก่อให้เกิดความร้อนที่จะทำลายเซลล์เชื้อเพลิง หากน้ำระเหยช้าเกินไป ขั้วไฟฟ้าจะท่วม ทำให้สารตั้งต้นไม่สามารถไปถึงตัวเร่งปฏิกิริยาและหยุดปฏิกิริยาได้ ปัจจุบันกำลังมีการพัฒนาวิธีการจัดการน้ำในเซลล์ เช่นปั๊มอิเล็กโทรออสโมติกที่เน้นการควบคุมการไหล เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์สันดาป อัตราส่วนที่คงที่ระหว่างสารตั้งต้นและออกซิเจนเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้เซลล์เชื้อเพลิงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การจัดการอุณหภูมิ

ต้องรักษาอุณหภูมิให้คงที่ตลอดทั้งเซลล์เพื่อป้องกันการทำลายเซลล์เนื่องจากความร้อนสะสมซึ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง เนื่องจากปฏิกิริยา 2H₂ ₊ O₂ _→ 2H₂O _เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนสูง ดังนั้นจึงเกิดความร้อนปริมาณมากภายในเซลล์เชื้อเพลิง

ความทนทานอายุการใช้งานและข้อกำหนดพิเศษสำหรับเซลล์บางประเภท

โดยทั่วไป การใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ต้องการการทำงานที่เชื่อถือได้นานกว่า 40,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ −35 ถึง 40 °C (−31 ถึง 104 °F) ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์ต้องการอายุการใช้งาน 5,000 ชั่วโมง (เทียบเท่ากับ 240,000 กม. หรือ 150,000 ไมล์) ภายใต้อุณหภูมิสุดขั้วอายุการใช้งาน ในปัจจุบัน อยู่ที่ 2,500 ชั่วโมง (ประมาณ 120,000 กม. หรือ 75,000 ไมล์) ^{[ 36 ]}เครื่องยนต์ยานยนต์ต้องสามารถสตาร์ทได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิ −30 °C (−22 °F) และมีอัตราส่วนกำลังต่อปริมาตรสูง (โดยทั่วไป 2.5 kW/L)

ความทนทานต่อ คาร์บอนมอนอกไซด์ที่จำกัดของแคโทดบางชนิด (ที่ไม่ใช่ PEDOT) ^{[ 28 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFCs) ได้รับการออกแบบและนำเสนอครั้งแรกในปี 1961 โดยGV ElmoreและHA Tannerในเซลล์เหล่านี้ กรดฟอสฟอริกถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่นำไฟฟ้าเพื่อส่งผ่านโปรตอนจากแอโนดไปยังแคโทด และบังคับให้อิเล็กตรอนเดินทางจากแอโนดไปยังแคโทดผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก เซลล์เหล่านี้มักทำงานที่อุณหภูมิ 150 ถึง 200 °C อุณหภูมิสูงนี้จะทำให้เกิดความร้อนและการสูญเสียพลังงานหากความร้อนไม่ถูกกำจัดและนำไปใช้อย่างเหมาะสม ความร้อนนี้สามารถนำไปใช้ในการผลิตไอน้ำสำหรับระบบปรับอากาศหรือระบบที่ใช้พลังงานความร้อนอื่นๆ^{[ 37 ]}การใช้ความร้อนนี้ใน การผลิตพลังงาน ร่วมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกจาก 40 ถึง 50% เป็นประมาณ 80% ^{[ 37 ]}เนื่องจากอัตราการผลิตโปรตอนบนแอโนดมีน้อย จึงใช้แพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มอัตราการแตกตัวเป็นไอออน ข้อเสียที่สำคัญของเซลล์เหล่านี้คือการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรด สิ่งนี้จะเพิ่มการกัดกร่อนหรือการออกซิเดชันของส่วนประกอบที่สัมผัสกับกรดฟอสฟอริก^{[ 38 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงกรดแข็ง (SAFC) มีลักษณะเฉพาะคือการใช้วัสดุกรดแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ ที่อุณหภูมิต่ำกรดแข็งจะมีโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นระเบียบเหมือนเกลือส่วนใหญ่ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (ระหว่าง 140 ถึง 150  °C สำหรับ CsHSO ₄ ) กรดแข็งบางชนิดจะเกิดการเปลี่ยนเฟสกลายเป็นโครงสร้าง "ซูเปอร์โปรตอนิก" ที่ไม่เป็นระเบียบอย่างมาก ซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้าขึ้นหลายเท่า ระบบ SAFC ใช้ซีเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟต (CsH ₂ PO ₄ ) และแสดงให้เห็นอายุการใช้งานหลายพันชั่วโมง^{[ 39 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) หรือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนได้รับการออกแบบและสาธิตต่อสาธารณะเป็นครั้งแรกโดยฟรานซิส โทมัส เบคอนในปี พ.ศ. 2492 เซลล์นี้ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าหลักในโครงการอวกาศอพอลโล^{[ 40 ]}เซลล์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนพรุนสองขั้วที่เคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม เช่น Pt, Ag, CoO เป็นต้น ช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเต็มไปด้วยสารละลายKOHหรือNaOH เข้มข้น ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ ก๊าซ H2 _และก๊าซ O2 _จะถูกเป่าเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ผ่านอิเล็กโทรดคาร์บอนพรุน ดังนั้นปฏิกิริยาโดยรวมจึงเกี่ยวข้องกับการรวมตัวของก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ เซลล์จะทำงานอย่างต่อเนื่องจนกว่าสารตั้งต้นจะหมด เซลล์ประเภทนี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิ 343–413  K (70 -140 °C) และให้ศักยภาพประมาณ 0.9  V ^{[ 41 ]}เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนลบแบบอัลคาไลน์ (AAEMFC) เป็น AFC ประเภทหนึ่งที่ใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์แข็งแทนโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ในน้ำ และมีประสิทธิภาพเหนือกว่า AFC ในน้ำ

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFCs) ใช้วัสดุแข็ง ซึ่งโดยทั่วไปคือวัสดุเซรามิกที่เรียกว่าเซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยอิตเทรียมออกไซด์ (YSZ) เป็นอิเล็กโทรไลต์เนื่องจาก SOFCs ทำจากวัสดุแข็งทั้งหมด จึงไม่จำกัดเฉพาะการกำหนดค่าระนาบแบนของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น และมักได้รับการออกแบบเป็นท่อม้วน พวกมันต้องการอุณหภูมิการทำงาน สูง (800–1000 °C) และสามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงหลากหลายชนิดรวมถึงก๊าซธรรมชาติ^{[ 6 ]}

SOFC มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเนื่องจากไอออน ออกซิเจนที่มีประจุลบ จะเคลื่อนที่จากแคโทด (ด้านบวกของเซลล์เชื้อเพลิง) ไปยังแอโนด (ด้านลบของเซลล์เชื้อเพลิง) แทนที่จะเป็นโปรตอนที่เคลื่อนที่ในทางกลับกัน (เช่น จากแอโนดไปยังแคโทด) ดังเช่นในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ ก๊าซออกซิเจนจะถูกป้อนผ่านแคโทด ซึ่งจะดูดซับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างไอออนออกซิเจน จากนั้นไอออนออกซิเจนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนที่แอโนด ปฏิกิริยาที่แอโนดจะผลิตกระแสไฟฟ้าและน้ำเป็นผลพลอยได้ คาร์บอนไดออกไซด์อาจเป็นผลพลอยได้เช่นกันขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิง แต่การปล่อยคาร์บอนจากระบบ SOFC นั้นน้อยกว่าจากโรงไฟฟ้าที่ใช้การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 42 ]}ปฏิกิริยาเคมีสำหรับระบบ SOFC สามารถแสดงได้ดังนี้: ^{[ 43 ]}

ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนด : _2H₂ + ^2O₂⁻ → _2H₂O + ^4e⁻

ปฏิกิริยาที่แคโทด : O ₂ + 4e ⁻ → 2O ²⁻

ปฏิกิริยารวมของเซลล์: _2H₂ + _O₂ → _2H₂O

ระบบ SOFC สามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงอื่นที่ไม่ใช่ก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไฮโดรเจนมีความจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่ระบุไว้ข้างต้น เชื้อเพลิงที่เลือกจึงต้องมีอะตอมไฮโดรเจนอยู่ด้วย เพื่อให้เซลล์เชื้อเพลิงทำงานได้ เชื้อเพลิงจะต้องถูกแปลงเป็นก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ SOFC สามารถทำการปฏิรูปไฮโดรคาร์บอนเบาภายในได้ เช่นมีเทน (ก๊าซธรรมชาติ) ^{[ 44 ]}โพรเพน และบิวเทน^{[ 45 ]}เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา^{[ 46 ]}

ระบบ SOFC มีความท้าทายเนื่องจากอุณหภูมิการทำงานที่สูง ความท้าทายประการหนึ่งคือความเป็นไปได้ที่ฝุ่นคาร์บอนจะสะสมบนขั้วบวก ซึ่งจะทำให้กระบวนการรีฟอร์มมิงภายในช้าลง การวิจัยเพื่อแก้ไขปัญหา "การเกิดคาร์บอนสะสม" ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียแสดงให้เห็นว่าการใช้เซรา มิกโลหะ (วัสดุทนความร้อนที่ทำจากเซรามิกและโลหะ) ที่มีทองแดงเป็นส่วนประกอบสามารถลดการเกิดคาร์บอนสะสมและการสูญเสียประสิทธิภาพได้^{[ 47 ]}ข้อเสียอีกประการหนึ่งของระบบ SOFC คือการเริ่มต้นทำงานที่ยาวนาน ทำให้ SOFC มีประโยชน์น้อยลงสำหรับการใช้งานในยานพาหนะ แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ อุณหภูมิการทำงานที่สูงก็มีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าเช่นแพลทินัม ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน นอกจากนี้ ความร้อนเหลือทิ้งจากระบบ SOFC อาจถูกดักจับและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมตามทฤษฎีให้สูงถึง 80–85% ^{[ 6 ]}

อุณหภูมิการทำงานที่สูงส่วนใหญ่เกิดจากคุณสมบัติทางกายภาพของอิเล็กโทรไลต์ YSZ เมื่ออุณหภูมิลดลงการนำไฟฟ้าของไอออนใน YSZ ก็จะลดลงด้วย ดังนั้น เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์เชื้อเพลิง จึงจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิการทำงานที่สูง จากข้อมูลบนเว็บไซต์Ceres Powerผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ในสหราชอาณาจักร ได้พัฒนาวิธีการลดอุณหภูมิการทำงานของระบบ SOFC ลงเหลือ 500–600 องศาเซลเซียส โดยเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ YSZ ที่ใช้กันทั่วไปเป็นอิเล็กโทรไลต์ CGO (เซเรียมแกโดลิเนียมออกไซด์) อุณหภูมิการทำงานที่ต่ำลงทำให้พวกเขาสามารถใช้สแตนเลสแทนเซรามิกเป็นพื้นผิวของเซลล์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนและเวลาเริ่มต้นการทำงานของระบบ^{[ 48 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFCs) ต้องการอุณหภูมิการทำงานสูงถึง 650 °C (1,200 °F) คล้ายกับSOFCs MCFCs ใช้เกลือลิเธียมโพแทสเซียมคาร์บอเนตเป็นอิเล็กโทรไลต์ และเกลือนี้จะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูง ทำให้ประจุสามารถเคลื่อนที่ภายในเซลล์ได้ – ในกรณีนี้คือไอออนคาร์บอเนตลบ^{[ 49 ]}

เช่นเดียวกับ SOFCs, MCFCs สามารถแปลงเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นก๊าซที่มีไฮโดรเจนสูงในแอโนด ทำให้ไม่จำเป็นต้องผลิตไฮโดรเจนจากภายนอก กระบวนการปฏิรูปทำให้เกิดการปล่อย CO2 _{เชื้อเพลิง}ที่เข้ากันได้กับ MCFC ได้แก่ ก๊าซธรรมชาติก๊าซชีวภาพและก๊าซที่ผลิตจากถ่านหิน ไฮโดรเจนในก๊าซจะทำปฏิกิริยากับไอออนคาร์บอเนตจากอิเล็กโทรไลต์เพื่อผลิตน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ อิเล็กตรอน และสารเคมีอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย อิเล็กตรอนจะเดินทางผ่านวงจรภายนอก สร้างกระแสไฟฟ้า และกลับไปยังแคโทด ที่นั่น ออกซิเจนจากอากาศและคาร์บอนไดออกไซด์ที่นำกลับมาใช้ใหม่จากแอโนดจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างไอออนคาร์บอเนตที่เติมเต็มอิเล็กโทรไลต์ ทำให้วงจรสมบูรณ์^{[ 49 ]}ปฏิกิริยาเคมีสำหรับระบบ MCFC สามารถแสดงได้ดังนี้: ^{[ 50 ]}

ปฏิกิริยาแอโนด : CO ₃ ²⁻ + H ₂ → H ₂ O + CO ₂ + 2e ^-

ปฏิกิริยาที่_{แคโทด}^: CO₂ ₊ ½O₂ + _2e⁻ ^→ CO₃²⁻

ปฏิกิริยารวมของเซลล์_: H₂ ₊ ½O₂ → _H₂O

เช่นเดียวกับ SOFC ข้อเสียของ MCFC ได้แก่ เวลาเริ่มต้นที่ช้าเนื่องจากอุณหภูมิการทำงานสูง ทำให้ระบบ MCFC ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบเคลื่อนที่ และเทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มที่จะใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่มากกว่า ความท้าทายหลักของเทคโนโลยี MCFC คืออายุการใช้งานของเซลล์ที่สั้น อุณหภูมิสูงและอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตทำให้เกิดการกัดกร่อนของแอโนดและแคโทด ปัจจัยเหล่านี้เร่งการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบ MCFC ลดความทนทานและอายุการใช้งานของเซลล์ นักวิจัยกำลังแก้ไขปัญหานี้โดยการสำรวจวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนสำหรับส่วนประกอบ ตลอดจนการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่อาจเพิ่มอายุการใช้งานของเซลล์โดยไม่ลดประสิทธิภาพ^{[ 6 ]}

MCFC มีข้อดีหลายประการเหนือเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ รวมถึงความต้านทานต่อสิ่งเจือปน ไม่เกิด "คาร์บอนโค้กกิ้ง" ซึ่งหมายถึงการสะสมของคาร์บอนบนขั้วบวกที่ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากทำให้ กระบวนการ ปฏิรูป เชื้อเพลิงภายในช้าลง ดังนั้นเชื้อเพลิงที่มีคาร์บอนสูง เช่น ก๊าซที่ผลิตจากถ่านหิน จึงเข้ากันได้กับระบบ กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาอ้างว่าถ่านหินเองอาจเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกในอนาคตได้ หากระบบมีความต้านทานต่อสิ่งเจือปน เช่น กำมะถันและอนุภาคที่เกิดจากการแปลงถ่านหินเป็นไฮโดรเจน^{[ 6 ]} MCFC ยังมีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง สามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าได้ถึง 50% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพ 37–42% ของโรงงานเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกอย่างมาก ประสิทธิภาพอาจสูงถึง 65% เมื่อเซลล์เชื้อเพลิงจับคู่กับกังหัน และ 85% หากมีการดักจับความร้อนและนำไปใช้ใน ระบบ ผลิตความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสาน (CHP) ^{[ 49 ]}

FuelCell Energyซึ่งเป็นผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงในรัฐคอนเนตทิคัต พัฒนาและจำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิง MCFC บริษัทกล่าวว่าผลิตภัณฑ์ MCFC ของพวกเขามีตั้งแต่ระบบ 300 kW ถึง 2.8 MW ที่ให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า 47% และสามารถใช้เทคโนโลยี CHP เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงขึ้น ผลิตภัณฑ์หนึ่งคือ DFC-ERG ซึ่งรวมเข้ากับกังหันก๊าซ และตามที่บริษัทระบุ ผลิตภัณฑ์นี้สามารถให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าได้ถึง 65% ^{[ 51 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงเก็บพลังงานไฟฟ้าเป็นแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมที่สามารถชาร์จได้ด้วยพลังงานไฟฟ้าขาเข้า โดยใช้ผลทางเคมีไฟฟ้าแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่นี้ยังรวมถึงไฮโดรเจน (และออกซิเจน) ขาเข้าเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ด้วยวิธีทางเคมีอีกด้วย^{[ 52 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแปลงพลังงานเคมีจากสารชีวภาพเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ เช่น เอนไซม์หรือจุลินทรีย์ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันของเชื้อเพลิง เช่น กลูโคส ที่ขั้วบวก ปล่อยอิเล็กตรอนและโปรตอน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอกเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ในขณะที่ที่ขั้วลบ ออกซิเจนมักจะถูกรีดิวซ์เป็นน้ำหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ทำให้วงจรสมบูรณ์^{[ 53 ]}การใช้งานรวมถึงการบำบัดน้ำเสียและการผลิตพลังงานหมุนเวียน^{[ 54 ]}อาจใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างเอนไซม์และอิเล็กโทร ด ^{[ 55 ]}

การบูรณาการวัสดุนาโน เช่น ท่อนาโนคาร์บอนและอนุภาคนาโนโลหะ ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ BFC วัสดุเหล่านี้เพิ่มพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดและอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้ดีขึ้น ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น โครงสร้างพรุนสามมิติและวัสดุที่ใช้กราฟีนถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความเสถียร และเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแบบไฮบริดที่รวม BFC กับซูเปอร์คาปาซิเตอร์หรือแบตเตอรี่รองกำลังได้รับการพัฒนาเพื่อให้ได้พลังงานที่เสถียรและต่อเนื่อง^{[ 56 ]}กำลังมีการสำรวจ BFC ในฐานะแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์ฝังในร่างกาย เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจและไบโอเซนเซอร์ เพื่อกำจัดความจำเป็นในการใช้แบตเตอรี่แบบดั้งเดิม และ EBFC ชนิดไฟเบอร์แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานแบบฝังในร่างกาย^{[ 57 ]}อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของพลังงานของ BFC โดยทั่วไปจะต่ำกว่าแหล่งพลังงานทั่วไป ความเสถียรของเอนไซม์และจุลินทรีย์ในช่วงระยะเวลานานเป็นอีกข้อกังวลหนึ่ง และความสามารถในการขยายขนาดและความเป็นไปได้ทางการค้าก็เป็นอุปสรรคเช่นกัน^{[ 58 ]}

คำอธิบายศัพท์ในตาราง:

ขั้วบวก

ขั้วไฟฟ้าที่เกิดการออกซิเดชัน (การสูญเสียอิเล็กตรอน) สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและเซลล์กัลวานิกอื่นๆ ขั้วแอโนดคือขั้วลบ สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลติก (ที่เกิดการอิเล็กโทรไลซิส) ขั้วแอโนดคือขั้วบวก^{[ 62 ]}

สารละลายในน้ำ^{[ 63 ]}

เกี่ยวกับน้ำ หรือคล้ายคลึงกับน้ำ

ผลิตจากน้ำ โดยใช้น้ำ หรือทำด้วยน้ำ

ตัวเร่งปฏิกิริยา

สารเคมีที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยไม่ถูกใช้หมดไป หลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้นแล้ว สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้จากส่วนผสมของปฏิกิริยาและไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยลดพลังงานกระตุ้นที่จำเป็น ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปได้เร็วขึ้นหรือที่อุณหภูมิต่ำลง ในเซลล์เชื้อเพลิง ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจน โดยปกติจะทำจากผงแพลทินัมที่เคลือบลงบนกระดาษคาร์บอนหรือผ้าบางๆ ตัวเร่งปฏิกิริยามีลักษณะหยาบและมีรูพรุน เพื่อให้พื้นที่ผิวของแพลทินัมสัมผัสกับไฮโดรเจนหรือออกซิเจนได้มากที่สุด ด้านที่เคลือบด้วยแพลทินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาจะหันเข้าหาเมมเบรนในเซลล์เชื้อเพลิง^{[ 62 ]}

แคโทด

ขั้วไฟฟ้าที่เกิดการรีดักชัน (การรับอิเล็กตรอน) สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและเซลล์กัลวานิกอื่นๆ แคโทดคือขั้วบวก สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลติก (ที่เกิดอิเล็กโทรไลซิส) แคโทดคือขั้วลบ^{[ 62 ]}

อิเล็กโทรไลต์

สารที่นำไอออนที่มีประจุจากขั้วไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ หรือเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า^{[ 62 ]}

ชุดเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์เชื่อมต่อกันแบบอนุกรม เซลล์เชื้อเพลิงถูกเรียงซ้อนกันเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า^{[ 62 ]}

เมทริกซ์

บางสิ่งบางอย่างที่อยู่ภายในหรือเป็นต้นกำเนิดของสิ่งอื่น พัฒนา หรือก่อตัวขึ้น^{[ 64 ]}

เยื่อหุ้มเซลล์

ชั้นแยกในเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ (ตัวแลกเปลี่ยนไอออน) รวมถึงฟิล์มกั้นที่แยกก๊าซในช่องแอโนดและแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง^{[ 62 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลว ไอออนคาร์บอเนต (CO ₃ ²⁻ ) จะถูกขนส่งจากแคโทดไปยังแอโนด อุณหภูมิในการทำงานโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 650 °C ^{[ 62 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งซึ่งอิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยกรดฟอสฟอริกเข้มข้น (H₃PO₄ ) _{โปรตอน(} H⁺) จะถูกขนส่งจากแอโนดไปยังแคโทด ช่วงอุณหภูมิการทำงานโดยทั่วไปคือ 160–220 °C ^{[ 62 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เมมเบรนโพลีเมอร์แข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ โปรตอน (H+) จะถูกขนส่งจากแอโนดไปยังแคโทด ช่วงอุณหภูมิการทำงานโดยทั่วไปคือ 60–100 °C สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิต่ำ (LT-PEMFC) ^{[ 62 ]}เซลล์เชื้อเพลิง PEM ที่มีอุณหภูมิการทำงาน 120-200 °C เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูง (HT-PEMFC) ^{[ 65 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งซึ่งอิเล็กโทรไลต์เป็นออกไซด์โลหะแข็งที่ไม่มีรูพรุน โดยทั่วไปคือเซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2 ) ^ที่_ผ่านการบำบัดด้วย Y2O3 _และ O2− _จะถูกขนส่งจากแคโทดไปยังแอโนด CO ใดๆ ในก๊าซรีฟอร์เมตจะถูกออกซิไดซ์เป็น CO2 _ที่แอโนด อุณหภูมิในการทำงานโดยทั่วไปอยู่ที่ 800–1,000 °C ^{[ 62 ]}

วิธีแก้ปัญหา^{[ 66 ]}

การกระทำหรือกระบวนการที่ทำให้สารที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ผสมเข้ากับของเหลว หรือบางครั้งอาจผสมกับก๊าซหรือของแข็งอื่นได้อย่างเป็นเนื้อเดียวกัน

ส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งเกิดขึ้นจากกระบวนการนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ระบบของเหลวเฟสเดียว

สภาวะที่ถูกสลายไปแล้ว

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบหรืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานจะวัดจากอัตราส่วนของปริมาณพลังงานที่มีประโยชน์ที่ระบบผลิตออกมา ("พลังงานขาออก") ต่อปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าไป ("พลังงานขาเข้า") หรือจากพลังงานขาออกที่มีประโยชน์คิดเป็นเปอร์เซ็นต์ของพลังงานขาเข้าทั้งหมด ในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิง พลังงานขาออกที่มีประโยชน์จะวัดจากพลังงานไฟฟ้าที่ระบบผลิตได้ พลังงานขาเข้าคือพลังงานที่เก็บไว้ในเชื้อเพลิง ตามข้อมูลของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานระหว่าง 40 ถึง 60% ^{[ 67 ]}ซึ่งสูงกว่าระบบการผลิตพลังงานอื่นๆ บางระบบ ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์สันดาปภายในของรถยนต์อาจมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานประมาณ 43% ^{[ 68 ] [ 69 ]}โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำมักจะมีประสิทธิภาพ 30-40% ^{[ 70 ]}ในขณะที่ โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซและไอน้ำ แบบวงจรผสมสามารถมีประสิทธิภาพสูงกว่า 60% ^{[ 71 ] [ 72 ]}ใน ระบบผลิต ความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสาน (CHP) ความร้อนเหลือทิ้งที่เกิดจากวงจรพลังงานหลัก ไม่ว่าจะเป็นเซลล์เชื้อเพลิง การแตกตัวของนิวเคลียร์ หรือการเผาไหม้ จะถูกนำมาใช้ประโยชน์ ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นถึง 85–90% ^{[ 6 ]}

ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของระบบการผลิตพลังงานประเภทใดก็ตามนั้นไม่เคยบรรลุผลในทางปฏิบัติ และไม่ได้พิจารณาขั้นตอนอื่นๆ ในการผลิตพลังงาน เช่น การผลิต การขนส่ง และการจัดเก็บเชื้อเพลิง และการแปลงไฟฟ้าเป็นพลังงานกล อย่างไรก็ตาม การคำนวณนี้ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบการผลิตพลังงานประเภทต่างๆ ได้ ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของเซลล์เชื้อเพลิงเข้าใกล้ 100% ^{[ 73 ]}ในขณะที่ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของเครื่องยนต์สันดาปภายในอยู่ที่ประมาณ 58% ^{[ 74 ]}

ค่าต่างๆ จะถูกกำหนดตั้งแต่ 40% สำหรับกรด 50% สำหรับคาร์บอเนตหลอมเหลว ไปจนถึง 60% สำหรับด่าง ออกไซด์แข็ง และเซลล์เชื้อเพลิง PEM ^{[ 75 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานได้เหมือนแบตเตอรี่^{[ 76 ]}ยกเว้นในรูปของไฮโดรเจน แต่ในบางแอปพลิเคชัน เช่น โรงไฟฟ้าแบบแยกส่วนที่ใช้แหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น พลังงาน แสงอาทิตย์หรือพลังงานลม เซลล์ เชื้อเพลิง จะถูกรวมเข้ากับ เครื่องแยกน้ำด้วย ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานเพื่อสร้างระบบจัดเก็บพลังงาน ณ ปี 2019 ไฮโดรเจน 90% ถูกนำไปใช้ในการกลั่นน้ำมัน การผลิตสารเคมีและปุ๋ย (ซึ่งไฮโดรเจนจำเป็นสำหรับกระบวนการ Haber–Bosch ) ^{[ 77 ]}และ ณ ปี 2024 ไฮโดรเจนมากกว่า 95% ยังคงผลิตโดยใช้การปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ (ประมาณ 95% เป็นไฮโดรเจนสีเทาส่วนที่เหลือส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนสีน้ำเงินและมีเพียงประมาณ 1% เท่านั้นที่เป็นไฮโดรเจนสีเขียว ) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์^{[ 78 ]}นอกจากนี้ ประสิทธิภาพโดยรวม (ไฟฟ้าเป็นไฮโดรเจนและกลับมาเป็นไฟฟ้า) ของโรงงานดังกล่าว (เรียกว่าประสิทธิภาพแบบไปกลับ ) โดยใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์และออกซิเจนบริสุทธิ์ อาจอยู่ที่ "ตั้งแต่ 35 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์" ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของก๊าซและเงื่อนไขอื่นๆ^{[ 79 ]}ระบบอิเล็กโทรไลเซอร์/เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเก็บไฮโดรเจนได้ในปริมาณไม่จำกัด จึงเหมาะสำหรับการจัดเก็บในระยะยาว

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็งผลิตความร้อนจากการรวมตัวกันของออกซิเจนและไฮโดรเจน เซรามิกสามารถร้อนได้ถึง 800 องศาเซลเซียส (1,470 องศาฟาเรนไฮต์) ความร้อนนี้สามารถดักจับและนำไปใช้ในการทำความร้อนน้ำใน ระบบผลิต ความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสานขนาดเล็ก (m-CHP) เมื่อดักจับความร้อนได้ ประสิทธิภาพโดยรวมของหน่วยสามารถสูงถึง 80-90% แต่ยังไม่ได้พิจารณาถึงการสูญเสียในการผลิตและการกระจาย ระบบ CHP กำลังได้รับการพัฒนาสำหรับตลาดครัวเรือนในยุโรปในปัจจุบัน

ศาสตราจารย์ Jeremy P. Meyers เขียนไว้ในวารสารInterface ของ Electrochemical Societyในปี 2008 ว่า "แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาป แต่ก็ไม่มีประสิทธิภาพเท่าแบตเตอรี่ โดยส่วนใหญ่เกิดจากประสิทธิภาพต่ำของปฏิกิริยาลดออกซิเจน (และ... ปฏิกิริยาการเกิดออกซิเจน หากไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นโดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า) ... [เซลล์เชื้อเพลิง] จึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่ตัดการเชื่อมต่อจากโครงข่าย หรือเมื่อสามารถจัดหาเชื้อเพลิงได้อย่างต่อเนื่อง สำหรับการใช้งานที่ต้องการการเริ่มต้นใช้งานบ่อยครั้งและค่อนข้างรวดเร็ว ... ซึ่งการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์เป็นสิ่งจำเป็น เช่น ในพื้นที่ปิด เช่น คลังสินค้า และเมื่อไฮโดรเจนถือเป็นสารตั้งต้นที่ยอมรับได้ [เซลล์เชื้อเพลิง PEM] จึงกลายเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ [หากการเปลี่ยนแบตเตอรี่ไม่สะดวก]" ^{[ 80 ]}ในปี 2013 องค์กรทางทหารได้ประเมินเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อพิจารณาว่าสามารถลดน้ำหนักแบตเตอรี่ที่ทหารพกพาได้อย่างมีนัยสำคัญหรือไม่^{[ 81 ]}

ในรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงประสิทธิภาพจากถังถึงล้อจะมากกว่า 45% ที่โหลดต่ำ^{[ 82 ]}และแสดงค่าเฉลี่ยประมาณ 36% เมื่อใช้รอบการขับขี่เช่น NEDC ( New European Driving Cycle ) เป็นขั้นตอนการทดสอบ^{[ 83 ]}ค่า NEDC ที่เทียบเคียงได้สำหรับรถยนต์ดีเซลคือ 22% ในปี 2551 ฮอนด้าได้เปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงสาธิต (Honda FCX Clarity ) ที่มีเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งอ้างว่ามีประสิทธิภาพจากถังถึงล้อ 60% ^{[ 84 ]}

นอกจากนี้ยังสำคัญที่จะต้องคำนึงถึงการสูญเสียที่เกิดจากการผลิตเชื้อเพลิง การขนส่ง และการจัดเก็บด้วย รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนอัดอาจมีประสิทธิภาพจากโรงไฟฟ้าถึงล้อ 22% หากไฮโดรเจนถูกจัดเก็บในรูปก๊าซแรงดันสูง และ 17% หากถูกจัดเก็บในรูปไฮโดรเจนเหลว^{[ 85 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ใช้สำหรับการผลิตพลังงานหลักและพลังงานสำรองในเชิงพาณิชย์ อุตสาหกรรม และที่อยู่อาศัย เซลล์เชื้อเพลิงมีประโยชน์มากในฐานะแหล่งพลังงานในสถานที่ห่างไกล เช่น ยานอวกาศ สถานีตรวจอากาศระยะไกล สวนสาธารณะขนาดใหญ่ ศูนย์สื่อสาร สถานที่ในชนบท รวมถึงสถานีวิจัย และในการใช้งานทางทหารบางประเภท ระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนสามารถมีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา และไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่และไม่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ ในสภาวะที่เหมาะสม เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีความน่าเชื่อถือสูงถึง 99.9999% ^{[ 86 ]}ซึ่งเทียบเท่ากับเวลาหยุดทำงานน้อยกว่าหนึ่งนาทีในระยะเวลาหกปี^{[ 86 ]}

เนื่องจากระบบอิเล็กโทรไลเซอร์เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้เก็บเชื้อเพลิงไว้ในตัวเอง แต่ต้องพึ่งพาหน่วยจัดเก็บภายนอก จึงสามารถนำไปใช้ในการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ได้อย่างประสบความสำเร็จ โดยพื้นที่ชนบทเป็นตัวอย่างหนึ่ง^{[ 87 ]}มีเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่หลายประเภท ดังนั้นประสิทธิภาพจึงแตกต่างกันไป แต่ส่วนใหญ่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานระหว่าง 40% ถึง 60% ^{[ 6 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ความร้อนเหลือทิ้งของเซลล์เชื้อเพลิงในการให้ความร้อนแก่อาคารในระบบผลิตพลังงานร่วม ประสิทธิภาพนี้สามารถเพิ่มขึ้นเป็น 85% ^{[ 6 ]}ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าโรงไฟฟ้าถ่านหินแบบดั้งเดิมอย่างมาก ซึ่งมีประสิทธิภาพด้านพลังงานเพียงประมาณหนึ่งในสาม^{[ 88 ]}หากสมมติว่ามีการผลิตในระดับใหญ่ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้ 20–40% เมื่อใช้ในระบบผลิตพลังงานร่วม^{[ 89 ]}เซลล์เชื้อเพลิงยังสะอาดกว่าการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมาก โรงไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นแหล่งไฮโดรเจนจะก่อให้เกิดมลพิษน้อยกว่า 1 ออนซ์ (นอกเหนือจาก CO2 ₎ต่อการผลิตพลังงาน 1,000 กิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อเทียบกับมลพิษ 25 ปอนด์ที่เกิดจากระบบการเผาไหม้แบบดั้งเดิม^{[ 90 ]}เซลล์เชื้อเพลิงยังปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์น้อยกว่าโรงไฟฟ้าถ่านหินแบบดั้งเดิมถึง 97%

โครงการนำร่องดังกล่าวโครงการหนึ่งกำลังดำเนินการอยู่ที่เกาะสจ๊วตในรัฐวอชิงตัน ที่นั่น โครงการริเริ่มด้านพลังงานของเกาะสจ๊วต^{[ 91 ]}ได้สร้างระบบวงปิดที่สมบูรณ์: แผงโซลาร์เซลล์จ่ายพลังงานให้กับเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งผลิตไฮโดรเจน ไฮโดรเจนจะถูกเก็บไว้ในถังขนาด 500 แกลลอนสหรัฐ (1,900 ลิตร) ที่ความดัน 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (1,400 กิโลปาสคาล) และขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิง ReliOn เพื่อให้พลังงานไฟฟ้าสำรองเต็มรูปแบบแก่ที่อยู่อาศัยที่อยู่นอกโครงข่ายไฟฟ้า ระบบวงปิดอีกระบบหนึ่งได้รับการเปิดตัวในช่วงปลายปี 2011 ในเมืองเฮมป์สเตด รัฐนิวยอร์ก^{[ 92 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้กับก๊าซคุณภาพต่ำจากหลุมฝังกลบหรือโรงบำบัดน้ำเสียเพื่อผลิตพลังงานและลดการปล่อยก๊าซมีเทนได้ โรงไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 2.8 เมกะวัตต์ในแคลิฟอร์เนียถือเป็นโรงไฟฟ้าประเภทนี้ที่ใหญ่ที่สุด^{[ 93 ]}กำลังมีการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็ก (ต่ำกว่า 5 กิโลวัตต์ชั่วโมง) เพื่อใช้ในระบบผลิตไฟฟ้านอกโครงข่ายสำหรับที่อยู่อาศัย^{[ 94 ]}

ระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบผลิตความร้อนและพลังงานร่วม (CHP) รวมถึง ระบบ ไมโครผลิตความร้อนและพลังงานร่วม (MicroCHP) ใช้ในการผลิตทั้งไฟฟ้าและความร้อนสำหรับบ้าน (ดูเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับบ้าน ) อาคารสำนักงาน และโรงงาน ระบบนี้ผลิตพลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง (ขายพลังงานส่วนเกินกลับคืนสู่โครงข่ายเมื่อไม่ได้ใช้งาน) และในขณะเดียวกันก็ผลิตอากาศร้อนและน้ำจากความร้อนเหลือทิ้งส่งผลให้ระบบ CHP มีศักยภาพในการประหยัดพลังงานปฐมภูมิ เนื่องจากสามารถใช้ประโยชน์จากความร้อนเหลือทิ้งซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะถูกทิ้งโดยระบบแปลงพลังงานความร้อน^{[ 95 ]}ช่วงกำลังการผลิตทั่วไปของเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับบ้านคือ 1–3 kW _el , 4–8 kW _th ^{[ 96 ] [ 97 ]} ระบบ CHP ที่เชื่อมต่อกับเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับจะใช้ความร้อนเหลือทิ้งสำหรับการทำความเย็น^{[ 98 ]}

ความร้อนเหลือทิ้งจากเซลล์เชื้อเพลิงสามารถถูกส่งต่อไปยังพื้นดินโดยตรงในช่วงฤดูร้อนเพื่อช่วยลดความร้อนเพิ่มเติม ในขณะที่ความร้อนเหลือทิ้งในช่วงฤดูหนาวสามารถสูบเข้าไปในอาคารได้โดยตรง มหาวิทยาลัยมินนิโซตาเป็นเจ้าของสิทธิบัตรของระบบประเภทนี้^{[ 99 ] [ 100 ]}

ระบบผลิตพลังงานร่วมสามารถบรรลุประสิทธิภาพ 85% (40–60% เป็นไฟฟ้าและส่วนที่เหลือเป็นความร้อน) ^{[ 6 ]}เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) ประกอบด้วยส่วนที่ใหญ่ที่สุดของผลิตภัณฑ์ CHP ที่มีอยู่ทั่วโลกและสามารถให้ประสิทธิภาพรวมใกล้เคียง 90% ^{[ 101 ] [ 102 ]}เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC) และเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC) ก็ถูกนำมาใช้สำหรับการผลิตความร้อนและพลังงานร่วมเช่นกัน และมีประสิทธิภาพพลังงานไฟฟ้าประมาณ 60% ^{[ 103 ]}ข้อเสียของระบบผลิตพลังงานร่วม ได้แก่ อัตราการเพิ่มและลดกำลังการผลิตที่ช้า ต้นทุนสูง และอายุการใช้งานสั้น^{[ 104 ] [ 105 ]}นอกจากนี้ ความจำเป็นต้องมีถังเก็บน้ำร้อนเพื่อปรับความร้อนให้สม่ำเสมอเป็นข้อเสียที่สำคัญในตลาดภายในประเทศ เนื่องจากพื้นที่ในบ้านพักอาศัยมีจำกัดมาก^{[ 106 ]}

ที่ปรึกษาของ Delta-ee ระบุในปี 2013 ว่าด้วยยอดขายทั่วโลก 64% ระบบผลิตความร้อนและไฟฟ้าแบบไมโครคอมไบน์ด้วยเซลล์เชื้อเพลิงได้แซงหน้าระบบแบบดั้งเดิมในด้านยอดขายในปี 2012 ^{[ 81 ]}โครงการ ENE FARM ของญี่ปุ่นระบุว่ามีการติดตั้ง PEMFC จำนวน 34,213 เครื่อง และ SOFC จำนวน 2,224 เครื่อง ในช่วงปี 2012–2014 โดย 30,000 เครื่องใช้LNGและ 6,000 เครื่องใช้LPG ^{[ 107 ]}

รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงสี่รุ่นได้รับการแนะนำสำหรับการเช่าและการขายเชิงพาณิชย์ ได้แก่Honda Clarity , Toyota Mirai , Hyundai ix35 FCEVและHyundai Nexoภายในสิ้นปี 2019 มีการเช่าหรือขายรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงประมาณ 18,000 คันทั่วโลก^{[ 108 ] [ 109 ]}รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงมีระยะทางเฉลี่ย 505 กม. (314 ไมล์) ระหว่างการเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้ง^{[ 110 ]}และสามารถเติมเชื้อเพลิงได้ในเวลาประมาณ 5 นาที^{[ 111 ]}โครงการเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ระบุว่า ณ ปี 2011 เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพ 53–59% ที่กำลังไฟหนึ่งในสี่ และประสิทธิภาพของรถยนต์ 42–53% ที่กำลังไฟเต็มที่^{[ 112 ]}และมีความทนทานมากกว่า 120,000 กม. (75,000 ไมล์) โดยมีการเสื่อมสภาพน้อยกว่า 10% ^{[ 113 ]}ในการวิเคราะห์จำลอง Well-to-Wheels ปี 2017 ที่ "ไม่ได้กล่าวถึงเศรษฐศาสตร์และข้อจำกัดของตลาด" General Motors และพันธมิตรได้ประเมินว่า สำหรับการเดินทางที่เทียบเท่ากัน รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงที่วิ่งด้วยไฮโดรเจนอัดที่ผลิตจากก๊าซธรรมชาติสามารถใช้พลังงานน้อยลงประมาณ 40% และปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยลง 45% เมื่อเทียบกับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน^{[ 114 ]}

ในปี 2558 โตโยต้าได้เปิดตัวรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงคันแรกของตน คือ มิไร ในราคา 57,000 ดอลลาร์สหรัฐ^{[ 115 ]} ฮุนไดได้เปิดตัวรถยนต์ Hyundai ix35 FCEVรุ่นผลิตจำนวนจำกัดภายใต้ข้อตกลงการเช่า^{[ 116 ]}ในปี 2559 ฮอนด้าเริ่มให้เช่ารถยนต์ Honda Clarity Fuel Cell ^{[ 117 ]}ในปี 2561 ฮุนไดได้เปิดตัวHyundai Nexoซึ่งมาแทนที่Hyundai ix35 FCEVในปี 2563 โตโยต้าได้เปิดตัวมิไร รุ่นที่สอง ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและขยายระยะทางเมื่อเทียบกับรุ่นซีดานดั้งเดิมปี 2557 ^{[ 118 ]}

ในปี 2024 เจ้าของรถ Mirai ได้ยื่น ฟ้องคดี แบบกลุ่มต่อโตโยต้าในแคลิฟอร์เนียเกี่ยวกับการขาดแคลนไฮโดรเจนสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง โดยกล่าวหาว่ามีการปกปิดข้อมูลที่เป็นเท็จและการบิดเบือนข้อเท็จจริง รวมถึงการละเมิดกฎหมายโฆษณาเท็จของแคลิฟอร์เนียและการละเมิดการรับประกันโดยนัย^{[ 119 ]}ในปีเดียวกันนั้น ฮุนไดได้เรียกคืนรถยนต์ Nexo ทั้งหมด 1,600 คันที่ขายในสหรัฐอเมริกาจนถึงขณะนั้น เนื่องจากมีความเสี่ยงที่จะเกิดการรั่วไหลของเชื้อเพลิงและไฟไหม้จาก "อุปกรณ์ระบายแรงดัน" ที่ชำรุด^{[ 120 ]}

นักวิจารณ์บางคนเชื่อว่ารถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะไม่สามารถแข่งขันทางเศรษฐกิจกับเทคโนโลยีอื่นๆ ได้เลย^{[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ]}หรืออาจต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะทำกำไรได้^{[ 80 ] [ 124 ]} อีลอน มัสก์ ซีอีโอของ เทสลา มอเตอร์สผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่กล่าวในปี 2015 ว่าเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับใช้ในรถยนต์จะไม่สามารถทำกำไรได้ในเชิงพาณิชย์ เนื่องจากความไม่มีประสิทธิภาพในการผลิต ขนส่ง และจัดเก็บไฮโดรเจน รวมถึงความไวไฟของก๊าซ และเหตุผลอื่นๆ^{[ 125 ]}ในปี 2012 Lux Research, Inc. ได้ออกรายงานที่ระบุว่า "ความฝันของเศรษฐกิจไฮโดรเจน...ยังไม่ใกล้เข้ามา" โดยสรุปว่า "ต้นทุนการลงทุน...จะจำกัดการนำไปใช้เพียง 5.9 GW" ภายในปี 2030 ซึ่งเป็น "อุปสรรคที่แทบจะเอาชนะไม่ได้ต่อการนำไปใช้ ยกเว้นในแอปพลิเคชันเฉพาะกลุ่ม" การวิเคราะห์สรุปว่าภายในปี 2030 ตลาดเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบอยู่กับที่ (PEM) จะมีมูลค่าถึง 1 พันล้านดอลลาร์ ในขณะที่ตลาดรถยนต์ ซึ่งรวมถึงรถยก จะมีมูลค่ารวม 2 พันล้านดอลลาร์^{[ 124 ]}การวิเคราะห์อื่นๆ ระบุว่าการขาดโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจน ที่ครอบคลุม ในสหรัฐอเมริกาเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องต่อการนำรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงไปใช้ในเชิงพาณิชย์^{[ 82 ]}

ในปี 2014 โจเซฟ รอมม์ผู้เขียนหนังสือThe Hype About Hydrogen (2005; 2025) กล่าวว่า รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (FCV) ยังไม่สามารถเอาชนะต้นทุนการเติมเชื้อเพลิงที่สูง โครงสร้างพื้นฐานการส่งเชื้อเพลิงที่ไม่เพียงพอ และมลพิษที่เกิดจากการผลิตไฮโดรเจนได้ “ต้องใช้ปาฏิหาริย์หลายอย่างจึงจะเอาชนะปัญหาทั้งหมดเหล่านั้นได้พร้อมกันในอีกหลายทศวรรษข้างหน้า” ^{[ 126 ]}เขาสรุปว่าพลังงานหมุนเวียนไม่สามารถนำมาใช้ผลิตไฮโดรเจนสำหรับรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้อย่างคุ้มค่า “ทั้งในปัจจุบันและอนาคต” ^{[ 121 ]} นักวิเคราะห์ของGreentech Media ก็ได้ข้อสรุปที่คล้ายคลึงกันในปี 2014 ^{[ 127 ]}ในปี 2015 CleanTechnicaได้ระบุข้อเสียบางประการของรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน^{[ 128 ]} Car Throttleก็เช่นกัน^{[ 129 ]}วิดีโอในปี 2019 โดยReal Engineeringตั้งข้อสังเกตว่า แม้จะมีการนำรถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนมาใช้ แต่การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ก็ไม่ได้ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนจากการขนส่ง ไฮโดรเจน 95% ที่ยังคงผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิลจะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานสูง การเก็บรักษาไฮโดรเจนต้องใช้พลังงานมากขึ้น ไม่ว่าจะเพื่อทำให้เย็นลงจนอยู่ในสถานะของเหลวหรือเพื่อบรรจุลงในถังภายใต้ความดันสูง และการส่งไฮโดรเจนไปยังสถานีเติมเชื้อเพลิงต้องใช้พลังงานมากขึ้นและอาจปล่อยคาร์บอนเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนที่จำเป็นในการขับเคลื่อน FCV หนึ่งกิโลเมตรมีราคาประมาณ 8 เท่าของไฟฟ้าที่จำเป็นในการขับเคลื่อน BEV ในระยะทางเดียวกัน^{[ 130 ]}

การประเมินในปี 2020 สรุปว่ารถยนต์ไฮโดรเจนยังมีประสิทธิภาพเพียง 38% ในขณะที่รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่มีประสิทธิภาพ 80% ^{[ 131 ]}ในปี 2021 CleanTechnicaสรุปว่า (ก) รถยนต์ไฮโดรเจนยังคงมีประสิทธิภาพน้อยกว่ารถยนต์ไฟฟ้ามาก (ข) ไฮโดรเจนสีเทาซึ่งเป็นไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยกระบวนการที่ก่อให้เกิดมลพิษ คิดเป็นส่วนใหญ่ของไฮโดรเจนที่มีอยู่ (ค) การส่งมอบไฮโดรเจนจะต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานการส่งมอบและการเติมเชื้อเพลิงใหม่ที่กว้างขวางและมีราคาแพง และ (ง) "ข้อดีสองประการที่เหลือของรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง ได้แก่ ระยะทางที่ไกลขึ้นและเวลาในการเติมเชื้อเพลิงที่รวดเร็ว กำลังถูกกัดเซาะอย่างรวดเร็วโดยเทคโนโลยีแบตเตอรี่และการชาร์จที่พัฒนาขึ้น" ^{[ 132 ]}การศึกษาในปี 2022 ในNature Electronicsเห็นด้วย^{[ 133 ]}การศึกษาในปี 2023 โดยศูนย์วิจัยสภาพภูมิอากาศและสิ่งแวดล้อมระหว่างประเทศ (CICERO) ประมาณการว่าไฮโดรเจนที่รั่วไหลมีผลกระทบต่อภาวะโลกร้อนรุนแรงกว่า CO2 ถึง_11.6เท่า^{[ 134 ]}

ณ เดือนสิงหาคม พ.ศ. 2554 มีรถโดยสารเซลล์เชื้อเพลิง ประมาณ 100 คัน ที่ให้บริการทั่วโลก^{[ 135 ]}ส่วนใหญ่ผลิตโดยUTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenicsและ Proton Motor รถโดยสารของ UTC วิ่งไปแล้วมากกว่า 970,000 กม. (600,000 ไมล์) ภายในปี พ.ศ. 2554 ^{[ 136 ]}รถโดยสารเซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูงกว่ารถโดยสารดีเซลและรถโดยสารก๊าซธรรมชาติถึง 39% ถึง 141% ^{[ 114 ] [ 137 ]}

ณ ปี 2019 NRELกำลังประเมินโครงการรถบัสเซลล์เชื้อเพลิงในปัจจุบันและที่วางแผนไว้หลายโครงการในสหรัฐอเมริกา^{[ 138 ]}

ผู้ให้บริการรถไฟอาจใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถไฟเพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งระบบไฟฟ้าเหนือศีรษะและเพื่อรักษาระยะทางที่รถไฟดีเซลสามารถวิ่งได้ อย่างไรก็ตาม พวกเขาต้องเสียค่าใช้จ่ายเนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงในรถไฟมีอายุการใช้งานเพียงสามปี การบำรุงรักษาถังไฮโดรเจน และความจำเป็นเพิ่มเติมสำหรับแบตเตอรี่เพื่อเป็นแหล่งพลังงานสำรอง^{[ 139 ] [ 140 ]}ในปี 2018 รถไฟที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงขบวนแรก คือAlstom Coradia iLint multiple units เริ่มวิ่งให้บริการในเส้นทาง Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven ในประเทศเยอรมนี^{[ 141 ]}รถไฟไฮโดรเจนยังถูกนำมาใช้ในสวีเดน^{[ 142 ]}และสหราชอาณาจักร^{[ 143 ]}

ในเดือนธันวาคม 2020 โตโยต้าและฮิโนมอเตอร์ร่วมกับ เซเว่ นอีเลฟเว่น (ญี่ปุ่น) แฟมิลี่มาร์ทและลอว์สันประกาศว่าพวกเขาตกลงที่จะร่วมกันพิจารณาการนำรถบรรทุกไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็ก (light-duty FCETs) มา ใช้ ^{[ 144 ]}ลอว์สันเริ่มทดสอบการขนส่งในอุณหภูมิต่ำเมื่อปลายเดือนกรกฎาคม 2021 ในโตเกียว โดยใช้ฮิโนดูโทรซึ่ง ติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิง โตโยต้ามิไร แฟมิลี่มาร์ทเริ่มทดสอบในเมืองโอคาซากิ^{[ 145 ]}

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2564 โตโยต้าประกาศแผนการผลิตโมดูลเซลล์เชื้อเพลิงที่โรงงานประกอบรถยนต์ในรัฐเคนตักกี้เพื่อใช้ในรถบรรทุกขนาดใหญ่และรถยนต์เพื่อการพาณิชย์สำหรับงานหนักที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ โดยมีแผนจะเริ่มประกอบอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีในปี พ.ศ. 2566 ^{[ 146 ]}

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2564 รถบรรทุกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงของDaimler Truck ได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานของเยอรมนีให้ใช้งานบนถนนสาธารณะได้ ^{[ 147 ]}

รถยกเซลล์เชื้อเพลิง (เรียกอีกอย่างว่ารถยกแบบใช้เซลล์เชื้อเพลิง) คือรถยก อุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง ใช้สำหรับยกและขนส่งวัสดุ ในปี 2556 มีรถยกเซลล์เชื้อเพลิงมากกว่า 4,000 คันที่ใช้ในการขนถ่ายวัสดุในสหรัฐอเมริกา^{[ 148 ]}ซึ่ง 500 คันได้รับเงินทุนจากDOE (2555) ^{[ 149 ] [ 150 ]} ณ ปี 2567 มีรถยกไฮโดรเจนประมาณ 50,000 คันที่ใช้งานอยู่ทั่วโลก (ส่วนใหญ่อยู่ในสหรัฐอเมริกา) เมื่อเทียบกับรถยกไฟฟ้าแบตเตอรี่ 1.2 ล้านคันที่ซื้อในปี 2564 ^{[ 151 ]}

บริษัทส่วนใหญ่ในยุโรปและสหรัฐอเมริกาไม่ได้ใช้รถยกที่ขับเคลื่อนด้วยน้ำมันปิโตรเลียม เนื่องจากรถเหล่านี้ทำงานในอาคารซึ่งต้องควบคุมการปล่อยมลพิษ และหันมาใช้รถยกไฟฟ้าแทน^{[ 152 ] [ 153 ]}รถยกที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเติมเชื้อเพลิงได้ภายใน 3 นาที และสามารถใช้ในคลังสินค้าแช่เย็นได้ ซึ่งประสิทธิภาพจะไม่ลดลงเนื่องจากอุณหภูมิต่ำ หน่วย FC มักได้รับการออกแบบให้สามารถใช้งานทดแทนได้ทันที^{[ 154 ] [ 155 ]}

ในปี 2548 บริษัท Intelligent Energy (IE) ผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงพลังงานไฮโดรเจนของอังกฤษได้ผลิตรถจักรยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจนคันแรกที่ใช้งานได้จริง โดยเรียกว่าENV (Emission Neutral Vehicle) รถจักรยานยนต์คันนี้บรรจุเชื้อเพลิงได้เพียงพอที่จะวิ่งได้นานสี่ชั่วโมง และเดินทางได้ 160 กิโลเมตร (100 ไมล์) ในเขตเมือง ด้วยความเร็วสูงสุด 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (50 ไมล์ต่อชั่วโมง) ^{[ 156 ]}ในปี 2547 ฮอนด้าได้พัฒนารถจักรยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ Honda FC Stack ^{[ 157 ] [ 158 ]}

ตัวอย่างอื่นๆ ของรถจักรยานยนต์^{[ 159 ]}และจักรยาน^{[ 160 ] ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ได้แก่ สกูตเตอร์ [ 161 ]}ของบริษัท APFCT จากไต้หวันซึ่งใช้ระบบเติมเชื้อเพลิงจาก Acta SpA ^{[ 162 ]} ของอิตาลี และ สกูตเตอร์ Suzuki Burgman ที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิง IEซึ่งได้รับการอนุมัติประเภทรถยนต์ทั้งคัน จากสหภาพยุโรป ในปี 2554 ^{[ 163 ]}บริษัท Suzuki Motor Corp. และ IE ได้ประกาศการร่วมทุนเพื่อเร่งการนำรถยนต์ที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ออกสู่ตลาด^{[ 164 ]}

ในปี 2546 เครื่องบินขับเคลื่อนใบพัดลำแรกของโลกที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมดได้ทำการบิน เซลล์เชื้อเพลิงมีดีไซน์แบบเรียงซ้อน ทำให้สามารถรวมเซลล์เชื้อเพลิงเข้ากับพื้นผิวแอโรไดนามิกของเครื่องบินได้^{[ 165 ]}ยานบินไร้คนขับ (UAV) ที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง ได้แก่ UAV เซลล์เชื้อเพลิง Horizonซึ่งทำลายสถิติระยะทางการบินสำหรับ UAV ขนาดเล็กในปี 2550 ^{[ 166 ]} นักวิจัย ของโบอิ้งและพันธมิตรในอุตสาหกรรมทั่วทั้งยุโรปได้ทำการทดสอบการบินทดลองในเดือนกุมภาพันธ์ 2551 ของเครื่องบินที่มีคนขับซึ่งใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่น้ำหนักเบาเท่านั้น เครื่องบินสาธิตเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว ใช้ระบบไฮบริดเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)/ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งเชื่อมต่อกับใบพัดแบบดั้งเดิม^{[ 167 ]}

ในปี 2552 Ion Tiger ของห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ (NRL) ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนและบินได้นาน 23 ชั่วโมง 17 นาที^{[ 168 ]}เซลล์เชื้อเพลิงยังอยู่ระหว่างการทดสอบและพิจารณาเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานเสริมในเครื่องบิน แทนที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเคยใช้ในการสตาร์ทเครื่องยนต์และจ่ายพลังงานไฟฟ้าบนเครื่องบิน พร้อมทั้งลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน^{[ 169 ] [ 170 ]}ในปี 2559 โดรน Raptor E1 ประสบความสำเร็จในการทดสอบบินโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีน้ำหนักเบากว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แทนที่ การบินใช้เวลา 10 นาทีที่ระดับความสูง 80 เมตร (260 ฟุต) แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะมีเชื้อเพลิงเพียงพอที่จะบินได้นานถึงสองชั่วโมงก็ตาม เชื้อเพลิงบรรจุอยู่ในเม็ดแข็งขนาด 1 ตารางเซนติเมตร (0.16 ตารางนิ้ว) ประมาณ 100 เม็ด ซึ่งประกอบด้วยสารเคมีที่เป็นกรรมสิทธิ์ภายในตลับที่ไม่ได้รับแรงดัน เม็ดเชื้อเพลิงมีความแข็งแรงทนทานและทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 50 °C (122 °F) เซลล์ดังกล่าวมาจาก Arcola Energy ^{[ 171 ]}

Lockheed Martin Skunk Works Stalkerเป็นโดรนไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง^{[ 172 ]}

เรือ Hydraซึ่งเป็นเรือเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 22 ที่นั่ง ให้บริการระหว่างปี 1999 ถึง 2001 บน แม่น้ำ ไรน์ใกล้เมืองบอนน์ประเทศเยอรมนี^{[ 173 ]}และถูกใช้เป็นเรือเฟอร์รี่ในเมืองเกนต์ประเทศเบลเยียม ระหว่างการประชุมเรือไฟฟ้าในปี 2000 ได้รับการรับรองอย่างสมบูรณ์จากGermanischer Lloydสำหรับการขนส่งผู้โดยสาร^{[ 174 ]}เรือ Zemship ซึ่งเป็นเรือโดยสารขนาดเล็ก ผลิตขึ้นระหว่างปี 2003 ถึง 2013 ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ (PEMFC) ขนาด 100 กิโลวัตต์ พร้อมแบตเตอรี่เจลตะกั่ว 7 ก้อน ด้วยระบบเหล่านี้ ร่วมกับถังเก็บ 12 ถัง เซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานความจุ 560 โวลต์ และ 234 กิโลวัตต์ชั่วโมง^{[ 175 ]} เรือ FCS Alsterwasser ซึ่งผลิตในเมืองฮัมบูร์กประเทศเยอรมนี เปิดตัวในปี 2008 เป็นหนึ่งในเรือโดยสารลำแรกที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงและสามารถบรรทุกผู้โดยสารได้ 100 คน เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดที่ขับเคลื่อนเรือลำนี้ผลิตโดย Proton Motor Fuel Cell GmbH ^{[ 176 ]}

ในปี 2010 เรือ MF Vågen ถูกผลิตขึ้นเป็นครั้งแรก โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงขนาด 12 กิโลวัตต์ และถังเก็บไฮโดรเจนแบบโลหะไฮไดรด์ขนาด 2-3 กิโลกรัม นอกจากนี้ยังใช้แบตเตอรี่ลิเธียมขนาด 25 กิโลวัตต์ชั่วโมง และมอเตอร์ DC ขนาด 10 กิโลวัตต์^{[ 175 ]} เรือ Hornblower Hybrid เปิดตัวในปี 2012 โดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบตเตอรี่แผงโซลาร์ เซลล์ พลังงานลมและเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงาน^{[ 175 ]} เรือเฟอร์รี่ไฮบริด Hydrogenesis ซึ่งผลิตในเมืองบริสตอลรองรับผู้โดยสารได้ 12 คน เริ่มให้บริการตั้งแต่ปี 2012 ^{[ 175 ]}เรือ SF-BREEZE เป็นเรือสองเครื่องยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงขนาด 41 × 120 กิโลวัตต์ ด้วยถังเก็บแบบ Type C เรือที่มีแรงดันนี้สามารถเก็บไฮโดรเจนเหลว (LH2) ได้ 1200 กิโลกรัม เรือเหล่านี้ยังคงให้บริการอยู่ในปัจจุบัน^{[ 175 ]}ในนอร์เวย์ เรือเฟอร์รี่ลำแรกที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนเหลวมีกำหนดการทดสอบขับครั้งแรกในเดือนธันวาคม 2022 ^{[ 177 ] [ 178 ]}

เรือดำน้ำ Type 212ของกองทัพเรือเยอรมันและอิตาลีใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อคงอยู่ใต้น้ำได้นานหลายสัปดาห์โดยไม่ต้องขึ้นสู่ผิวน้ำ^{[ 179 ]} U212A เป็นเรือดำน้ำที่ไม่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ซึ่งพัฒนาโดยอู่ต่อเรือ Howaldtswerke Deutsche Werft ของกองทัพเรือเยอรมัน^{[ 180 ]}ระบบประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิง PEM จำนวน 9 เซลล์ แต่ละเซลล์ให้พลังงานระหว่าง 30 กิโลวัตต์ถึง 50 กิโลวัตต์ เรือลำนี้เงียบ ทำให้ได้เปรียบในการตรวจจับเรือดำน้ำลำอื่น^{[ 181 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบพกพาจะถูกจัดประเภทตามน้ำหนักที่ต่ำกว่า 10 กิโลกรัม และให้พลังงานน้อยกว่า 5 กิโลวัตต์^{[ 182 ]}ขนาดตลาดที่มีศักยภาพสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กนั้นประเมินไว้ในปี 2545 อยู่ที่ประมาณ 10 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 183 ]}ภายในตลาดนี้ได้มีการระบุกลุ่มออกเป็นสองกลุ่ม กลุ่มแรกคือตลาดเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กมาก ในช่วง 1-50 วัตต์ สำหรับจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก กลุ่มที่สองคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในช่วง 1-5 กิโลวัตต์ สำหรับการผลิตพลังงานขนาดใหญ่ (เช่น ฐานทัพทหาร แหล่งน้ำมันในพื้นที่ห่างไกล) เซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กมากมีเป้าหมายหลักในการเจาะตลาดโทรศัพท์และแล็ปท็อป^{[ 183 ]}

ระบบพลังงานแบบพกพาที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ในภาคสันทนาการ (เช่น รถบ้าน กระท่อม เรือ) อุตสาหกรรม (เช่น พลังงานสำหรับสถานที่ห่างไกล รวมถึงแหล่งขุดเจาะก๊าซ/น้ำมัน หอสื่อสาร ระบบรักษาความปลอดภัย สถานีตรวจอากาศ) และกองทัพ SFC Energy เป็นผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง ของเยอรมนี สำหรับระบบพลังงานแบบพกพาหลากหลายประเภท^{[ 184 ]} Ensol Systems Inc. เป็นผู้บูรณาการระบบพลังงานแบบพกพาโดยใช้ DMFC ของ SFC Energy ^{[ 185 ]}ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงในตลาดนี้คือการผลิตพลังงานต่อน้ำหนักได้มาก แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงอาจมีราคาแพง แต่สำหรับสถานที่ห่างไกลที่ต้องการพลังงานที่เชื่อถือได้ เซลล์เชื้อเพลิงก็มีศักยภาพสูง^{[ 182 ]}

• การจัดหาพลังงานสำหรับสถานีฐานหรือไซต์เซลล์^{[ 186 ] [ 187 ]}
• ระบบไฟฟ้าฉุกเฉินเป็นระบบเซลล์เชื้อเพลิงประเภทหนึ่ง ซึ่งอาจรวมถึงไฟส่องสว่าง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อจัดหาทรัพยากรสำรองในกรณีวิกฤตหรือเมื่อระบบปกติล้มเหลว มีการใช้งานในสถานที่ต่างๆ มากมาย ตั้งแต่บ้านพักอาศัยไปจนถึงโรงพยาบาล ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ศูนย์ข้อมูล^{[ 188 ]}
• อุปกรณ์ โทรคมนาคม^{[ 189 ]}และเรือรบสมัยใหม่
• เครื่องสำรองไฟ ( UPS ) ให้พลังงานฉุกเฉิน และขึ้นอยู่กับโครงสร้าง อาจช่วยควบคุมแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อด้วยการจ่ายไฟจากแหล่งจ่ายไฟสำรองเมื่อไฟฟ้าจากระบบสาธารณะไม่สามารถใช้งานได้ แตกต่างจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองตรงที่สามารถป้องกันไฟดับชั่วขณะได้ทันที
• สมาร์ทโฟนแล็ปท็อป และแท็บเล็ต สำหรับใช้งานในสถานที่ที่อาจไม่มีจุดชาร์จไฟAC ให้บริการอย่างสะดวก
• แท่นชาร์จแบบพกพาสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก (เช่น คลิปหนีบเข็มขัดที่ใช้ชาร์จโทรศัพท์มือถือหรือPDA )
• เครื่องใช้ไฟฟ้าทำความร้อนขนาดเล็ก^{[ 190 ]}
• การถนอมอาหารทำได้โดยการระบายออกซิเจนและรักษาการระบายออกซิเจนโดยอัตโนมัติในภาชนะบรรจุสินค้า เช่น ปลาสด^{[ 191 ]}
• เซ็นเซอร์ รวมถึงในเครื่องตรวจวัดแอลกอฮอล์ในลมหายใจซึ่งใช้ปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่สร้างโดยเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อกำหนดความเข้มข้นของเชื้อเพลิง (แอลกอฮอล์) ในตัวอย่าง^{[ 192 ]}

จากข้อมูลของ FuelCellsWorks ซึ่งเป็นกลุ่มอุตสาหกรรม ระบุว่า ณ สิ้นปี 2019 มี สถานีเติมไฮโดรเจนเปิดให้บริการแก่ประชาชนทั่วโลก จำนวน 330 แห่ง ^{[ 193 ]}ณ เดือนมิถุนายน 2020 มีสถานีเติมไฮโดรเจนที่เปิดให้บริการแก่ประชาชนในเอเชียจำนวน 178 แห่ง ^{[ 194 ]}โดย 114 แห่งอยู่ในญี่ปุ่น^{[ 194 ]}ในยุโรปมีสถานีอย่างน้อย 177 แห่ง และประมาณครึ่งหนึ่งอยู่ในเยอรมนี^{[ 195 ] [ 196 ]}ในสหรัฐอเมริกามีสถานีที่เปิดให้บริการแก่ประชาชนจำนวน 44 แห่ง โดย 42 แห่งอยู่ในแคลิฟอร์เนีย^{[ 197 ]}

สถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างระหว่าง 1 ล้านถึง 4 ล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 198 ]}

ณ ปี 2023 อุปสรรคทางเทคโนโลยีต่อการนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้ยังคงมีอยู่^{[ 199 ]}เซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ใช้สำหรับการจัดการวัสดุในคลังสินค้า ศูนย์กระจายสินค้า และโรงงานผลิต^{[ 200 ]}คาดว่าจะสามารถนำไปใช้เป็นทางเลือกแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ในหลากหลายการใช้งาน^{[ 201 ] [ 202 ]}แต่การใช้งานยังไม่ค่อยแพร่หลายในชุมชนที่มีรายได้น้อย^{[ 203 ]}แม้ว่าจะมีการพยายามสร้างความครอบคลุมมากขึ้นบ้างแล้ว เช่น ในด้านการเข้าถึง^{[ 204 ]}

ในปี 2012 รายได้จากอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิงมีมูลค่าตลาดเกิน 1 พันล้านดอลลาร์ทั่วโลก โดยประเทศในภูมิภาคเอเชียแปซิฟิกส่งออกระบบเซลล์เชื้อเพลิงมากกว่า 3 ใน 4 ของทั่วโลก^{[ 205 ]}มีการจัดส่งชุดเซลล์เชื้อเพลิง 140,000 ชุดทั่วโลกในปี 2010 เพิ่มขึ้นจาก 11,000 ชุดในปี 2007 และตั้งแต่ปี 2011 ถึง 2012 การจัดส่งเซลล์เชื้อเพลิงทั่วโลกมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีที่ 85% ^{[ 206 ]} Tanaka Kikinzokuขยายโรงงานผลิตในปี 2011 ^{[ 207 ]}ประมาณ 50% ของการจัดส่งเซลล์เชื้อเพลิงในปี 2010 เป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ เพิ่มขึ้นจากประมาณหนึ่งในสามในปี 2009 และผู้ผลิตรายใหญ่สี่รายในอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิง ได้แก่ สหรัฐอเมริกา เยอรมนี ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้^{[ 208 ]}กระทรวงพลังงานพันธมิตรการแปลงพลังงานโซลิดสเตทพบว่า ณ เดือนมกราคม 2011 เซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่สามารถผลิตพลังงานได้ในราคาประมาณ 724 ถึง 775 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ที่ติดตั้ง^{[ 209 ]}ในปี 2011 Bloom Energy ซึ่งเป็นผู้จัดจำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิงรายใหญ่ กล่าวว่าเซลล์เชื้อเพลิงของบริษัทสามารถผลิตพลังงานได้ในราคา 9–11 เซนต์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งรวมถึงราคาน้ำมันเชื้อเพลิง การบำรุงรักษา และฮาร์ดแวร์^{[ 210 ] [ 211 ]}

ในปี 2559 ซัมซุง "ตัดสินใจยุติโครงการธุรกิจที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากแนวโน้มตลาดไม่ดี" ^{[ 212 ]}

• 2013: บริษัท ACAL Energy ของอังกฤษได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่ระบุว่าสามารถใช้งานได้นานถึง 10,000 ชั่วโมงในสภาวะการขับขี่จำลอง^{[ 213 ]}และยืนยันว่าต้นทุนการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงสามารถลดลงเหลือ 40 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ (ประมาณ 9,000 ดอลลาร์สหรัฐสำหรับ 300 แรงม้า) ^{[ 214 ]}
• 2014: นักวิจัยในอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนได้พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการฟื้นฟูPEFC ที่ปนเปื้อนไฮโดรเจนซัลไฟด์^{[ 215 ]}พวกเขาฟื้นฟูประสิทธิภาพดั้งเดิมของ PEFC ที่ปนเปื้อนไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้ 95–100% พวกเขายังประสบความสำเร็จในการฟื้นฟู PEFC ที่ปนเปื้อน SO ₂ด้วย^{[ 216 ]}วิธีการฟื้นฟูนี้สามารถนำไปใช้กับชุดเซลล์หลายชุดได้^{[ 217 ]}
• 2019: นักวิจัย จากห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกสหรัฐฯได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงผลิตไฮโดรเจนแบบสองส่วนในสถานที่ ส่วนหนึ่งสำหรับการผลิตไฮโดรเจนและอีกส่วนหนึ่งสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านโรงไฟฟ้าไฮโดรเจน/อากาศภายใน^{[ 218 ]}
• 2022: นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้พลังงานไฮโดรเจนซึ่งคาดว่าจะทำงานได้ที่ต้นทุนต่ำกว่าและทำงานที่ประมาณ 1.4 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ การออกแบบนี้ช่วยขจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากอากาศป้อนของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนไฮดรอกไซด์^{[ 219 ]}
• ในปี 2024 นักวิจัย ของ KAISTได้พัฒนาวิธีการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงโปรตอนโดยอาศัยการเคลือบสารละลายในเทปหล่อ จากนั้นจึงเผาผนึกโครงสร้างที่เคลือบแล้ว สารละลายที่แตกต่างกันสามชนิดถูกสร้างขึ้นโดยใช้การผสมเสียงสะท้อน (RAM) ก่อนการตกตะกอน^{[ 220 ]}

• Vielstich, W. และคณะ (บรรณาธิการ) (2009). คู่มือเซลล์เชื้อเพลิง: ความก้าวหน้าในด้านตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า วัสดุ การวินิจฉัย และความทนทาน . โฮโบเคน: John Wiley and Sons.
• Gregor Hoogers (2003). เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง – คู่มือ . สำนักพิมพ์ CRC.
• เจมส์ ลาร์มินี; แอนดรูว์ ดิกส์ (2003). ระบบเซลล์เชื้อเพลิงอธิบาย (ฉบับพิมพ์ครั้งที่สอง). โฮโบเคน: จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์.
• Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งอุณหภูมิสูง - หลักการพื้นฐาน การออกแบบ และการประยุกต์ใช้งาน . สำนักพิมพ์ Elsevier Academic Press.
• Frano Barbir (2005). เซลล์เชื้อเพลิง PEM - ทฤษฎีและการปฏิบัติ . สำนักพิมพ์ Elsevier Academic Press.
• EG&G Technical Services, Inc. (2004). คู่มือเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ฉบับที่ 7กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา
• Matthew M. Mench (2008). เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิง . โฮโบเคน: John Wiley & Sons, Inc.
• Noriko Hikosaka Behling (2012). เซลล์เชื้อเพลิง: ความท้าทายทางเทคโนโลยีในปัจจุบันและความต้องการการวิจัยในอนาคต (ฉบับพิมพ์ครั้งแรก). สำนักพิมพ์ Elsevier Academic Press.

• ที่มาของเซลล์เชื้อเพลิง: ค.ศ. 1840–1890
• EERE: โครงการเทคโนโลยีไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิง และโครงสร้างพื้นฐาน
• อุณหพลศาสตร์ของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าและเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
• ชุดสื่อการสอนและการเรียนรู้ DoITPoMS: "เซลล์เชื้อเพลิง"