ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม

สิ่งที่มักเข้าใจผิดกันอยู่เสมอคือการใช้ธาตุไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ความจริงแล้วไฮโดรเจนไม่ใช่แหล่งพลังงานหลัก มันเป็นเพียงตัวเก็บพลังงานและต้องผลิตขึ้นมาจากแหล่งพลังงานอื่น

จากหลักการอนุรักษ์พลังงานทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงอาจถูกจำกัดโดยการผลิตพลังงานในขั้นแรก ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมอาจต่ำกว่าเครื่องยนต์เบนซินที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งพบได้เมื่อก๊าซไฮโดรเจนต้องถูกอัดภายใต้ความดันสูงหรือทำให้เป็นของเหลวสำหรับยานยนต์ (การสลายน้ำด้วยไฟฟ้ามีประสิทธิภาพเพียง 50%)

อีกทางเลือกหนึ่งของการผลิตไฮโดรเจนคือการใช้มีเทนซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงถึงราว 80% หรือใช้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ ซึ่งมีประสิทธิภาพต่างกันออกไป อย่างไรก็ตามการใช้ไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกได้ อย่างไรก็ตามหากได้มีการจัดการให้ดีภายในโรงงานเราก็สามารถกำจัด CO2 ได้ง่ายกว่าและดีกว่าปล่อยให้รถยนต์ทุกคันปล่อยก๊าซเสียออกมา โครงการกำจัด CO2 ปริมาณมากในขั้นตอนนี้ได้ดำเนินการโดยบริษัทจากนอร์เวย์ Statoil

เซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ ไม่พบปัญหาเช่นเดียวกันนี้ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงทางชีวภาพ (biological fuel cells) ใช้กลูโคสและเมทานอลจากเศษอาหารที่หมักด้วยจุลินทรีย์

อย่างไรก็ตามปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมอีกอย่างหนึ่งที่กลุ่มของนักวิทยาศาสตร์จาก Caltech ได้ตั้งข้อสังเกตขึ้นคือ หากเราเปลี่ยนจากระบบเก่ามาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด ปริมาณไฮโดรเจนเพียงเล็กน้อยที่รั่วไหลจาการเก็บและขนส่งอาจเป็นอันตรายต่อชั้นโอโซนได้ แต่อย่างไรก็ตามปริมาณไฮโดรเจนที่ทางกลุ่มตั้งข้อสังเกตได้ถูกปฏิเสธโดยกลุ่มอุตสาหกรรมปัจจุบันนี้ 50% ของพลังงานในสหรัฐอเมริกาผลิตมาจากถ่านหิน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่สะอาด ถ้าไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงมาจากการสลายน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งยังใช้พลังงานจากโรงไฟฟ้าเหลานี้ เราก็ไม่อาจปฏิเสธได้เลยว่าปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมก็ยังจะเกิดขึ้นที่โรงงานไฟฟ้านั่นเอง

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง

เพื่อให้สามารถแข่งขันทางการค้าได้ยังมีปัญหาในทางปฏิบัติที่ต้องแก้ไขอีกจำนวนมาก การจัดการน้ำเป็นปัญหาสำคัญใน Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) ซึ่งเยื่อกั้นต้องชุ่มน้ำอยู่ตลอดเวลา ทำให้น้ำที่ระเหยออกไปต้องเท่ากับน้ำที่ผลิตขึ้นมา ถ้าน้ำระเหยเร็วเกินไป น้ำจะแห้งจากเยื่อกั้นและทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และเยื่อกั้นจะแตกออก ทำให้เกิดการลัดวงจรของก๊าซ ซึ่งไฮโดรเจนและออกซิเจนจะรวมกันโดยตรง ทำให้เกิดความร้อนสูง ทำลายเซลล์ไปได้ แต่ถ้าน้ำระเหยออกช้าเกินไป ขั้วไฟฟ้าจะถูกน้ำท่วมทำให้สารตั้งต้นไม่อาจเข้าทำปฏิกิริยากับตัวเร่งได้และทำให้ปฏิกิริยาสิ้นสุด วิธีการจัดการน้ำที่เหมาะสมกำลังถูกพัฒนาขึ้นมาในหลายบริษัท

ปัจจัยอื่นๆ ก็มีความสำคัญไม่แพ้กันได้แก่ อุณหภูมิตลอดทั้งเซลล์ ซึ่งบางครั้งอาจเปลี่ยนแปลงและทำลายเซลล์ได้ สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในลำดับต่างๆ ของเซลล์แต่ละชนิด การเลือกวัสดุต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่างประกอบกัน ทั้งนี้ไม่มีวัสดุใดที่จะให้ผลดี 100% พร้อมกันในทุกๆ ด้าน นอกจากนี้สำหรับเซลล์บางประเภทจะเน้นที่ความทนทานและอายุการใช้งาน ในขณะที่บางประเภทจะเน้นที่พลังงาน ซึ่งปัญหาการพัฒนาเซลล์ที่เหมาะสมยังเป็นปัญหาที่ท้าทายอยู่มาก

สำหรับการใช้ในยานยนต์ปัญหานั้นมีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น รถต้องสามารถติดเครื่องได้ในทุกอุณหภูมิที่คนทั่วทุกมุมโลกอาศัยอยู่ ประมาณ 80% ของที่จอดรถในโลกจำเป็นต้องติดเครื่องได้แม้ในอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศา เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีปัญหาการทำงานในที่อุณหภูมิสูงแต่ในที่อุณหภูมิต่ำอาจมีปัญหาได้ FCX ของ Honda เป็นเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นแรกที่ใช้ในรถที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่างๆ แต่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -20 °C ก็ยังเป็นปัญหาในการติดเครื่องยนต์

การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานในที่ห่างไกล เช่น ในยานอวกาศ สถานีตรวจอากาศที่ห่างไกล สวนสาธารณะขนาดใหญ่ ชนบท และการประยุกต์ใช้ทางการทหาร เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบาและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

การประยุกต์ใช้ในอนาคตอันใกล้นี้คงเป็นระบบไฟฟ้าและพลังงานความร้อน combined heat and power (CHP) สำหรับอาคารสำนักงานและโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งระบบนี้จะผลิตไฟฟ้าในอัตราที่คงที่ สามารถขายไฟฟ้าคืนสู่ระบบส่งได้เมื่อไม่ใช้งาน นอกจากนี้ยังผลิตอากาศอุ่นได้เป็นผลพวงมาจากความร้อนที่สูญเสียออกมาระหว่างการทำงาน Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) เป็นระบบที่ใช้กันมากสำหรับการผลิตไฟฟ้าและให้ความร้อนร่วมกัน ซึ่งประสิทธิภาพรวมสูงถึง 80% (45-50% เป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนที่เหลือเป็นพลังงานความร้อน) ผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดได้แก่ UTC Power บริษัทลูกของ United Technologies Corporation นอกจากนี้ยังมีการใช้งาน Molten-carbonate fuel cells ในรูปแบบนี้อยู่บ้าง รวมไปถึงการใช้งาน Solid-oxide fuel cell ในขั้นทดลอง

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงมีต้นทุนที่สูงต่อกิโลวัตต์ และเพราะว่าประสิทธิภาพจะลดลงตามความหนาแน่นของพลังงาน ดังนั้นมันจึงไม่เหมาะกับการใช้กระแสไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงมาก โดยเฉพาะไม่เหมาะกับระบบเก็บสะสมพลังงานไฟฟ้าในระดับเล็กและกลาง อิเล็กโทรไลต์เซอร์และเซลล์เชื้อเพลิงรวมกันสามารถคืนพลังงานไฟฟ้าได้น้อยกว่า 50% ของพลังงานที่ป้อนเข้าไป (เรียกว่าround-trip efficiency ) ในขณะที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ราคาถูกกว่าสามารถคืนพลังงานได้ราว 90%

อย่างไรก็ตามระบบอิเล็กโทรไลต์เซอร์ไม่ได้เก็บเชื้อเพลิงไว้โดยตรง แต่พึ่งพาหน่วยเก็บสารเคมีภายนอก ดังนั้นในระบบเก็บพลังงานขนาดใหญ่ เช่นในชนบท แบตเตอรี่ต้องมีขนาดใหญ่มากเกินกว่าที่จะทำงานได้จริง ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงต้องการพื้นที่เพิ่มสำหรับหน่วยเก็บสารเท่านั้น (โดยทั่วไปมีราคาถูกกว่าอุปกรณ์ทางไฟฟ้าเคมี)

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับผลิตไฟฟ้าร่วมและให้น้ำร้อนในบ้านเป็นอีกหนึ่งในแนวทางการประยุกต์ใช้ระยะยาวซึ่งจะมีโครงการทดลองเริ่มต้นในปี 2005

รถยนต์ไฮโดรเจนและการเติมเชื้อเพลิง

สถานบริการไฮโดรเจนแห่งแรกอยู่ใน Reykjavík Iceland เปิดบริการในเดือนเมษายน ปี 2003 ซึ่งให้บริการกับรถบัสสามคันสร้างโดย Daimler ซึ่งให้บริการแก่สาธารณชนโดยทั่วไปในเขต Reykjavík สถานีไฮโดรเจนแห่งนี้ผลิตไฮโดรจนด้วยตัวเองโดยใช้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (ผลิตโดย Norsk Hydro) ซึ่งไม่ต้องการอะไรนอกเหนือไปจากน้ำและไฟฟ้า Shell เป็นอีกหนึ่งในผู้ร่วมโครงการ สถานีบริการแห่งนี้ไม่มีหลังคาเพื่อให้ไฮโดรเจนที่อาจรั่วไหลออกไปสู่บรรยากาศได้

มีรถยนต์และรถบัสต้นแบบจำนวนมากซึ่งอยู่บนพื้นฐานของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่อยู่ระหว่างการพัฒนา งานวิจัยก็กำลังเดินหน้าต่อไปในหลายบริษัทเช่น BMW Hyundai และ Nissan รถที่สามารถออกจำหน่ายได้จริงคงยังไม่ออกสู่ตลาดจนกว่าจะถึงปี 2010 อย่างไรก็ตามได้มีรถบัสเซลล์เชื้อเพลิงที่กำลังดำเนินการกันอยู่ เช่น Thor ของ UTC Power ในแคลิฟอร์เนีย ดำเนินการโดย SunLine Transit Agency

เร็วๆ นี้ มีนักศึกษากลุ่มที่ชื่อว่า Energy-Quest กำลังจะเดินทางรอบโลกด้วยเรือที่ใช้พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง การเดินทางนี้มีชื่อว่า Triton

นอกจากนี้ปัญหาการจัดเก็บไฮโดรเจนอาจถูกกำจัดให้หมดไปได้ด้วยการใช้ Sodium borohydride (NaBH4) ซึ่งทำให้เก็บไฮโดรเจนไว้ได้มากแม้ที่ความดันบรรยากาศ

การนำไปใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

บมความหลัก: ตัวจ่ายพลังงานบลูม

ตัวจ่ายพลังงานบลูม (อังกฤษ: Bloom Energy Server (the Bloom Box) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง (SOFC) สร้างขึ้นโดยบริษัท Bloom Energy แห่งซันนีเวล, แคลิฟอร์เนีย, ที่สามารถใช้ปัจจัยการผลิตได้หลากหลาย (รวมทั้งสารไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ ที่ผลิตจากแหล่งชีวภาพ) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ณ จุดที่มันจะถูกนำมาใช้. มันสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 1,800 °F (980 °C), ที่จะทำลายเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆอีกมากมายหรือต้องการการบำรุงรักษา. ตามคำกล่าวอ้างของบริษัทดังกล่าว, เพียงเซลล์เดียว (แผ่นโลหะผสมขนาด 100 มิลลิเมตร × 100 มิลลิเมตรที่คั่นอยู่ระหว่างชั้นของเซรามิกสองชั้น) สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 25 วัตต์.

บริษัทดังกล่าวยังกล่าวอีกว่า ราวปี 2012 เซิร์ฟเวอร์ที่บรรจุชั้นของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้กว่า 200 หน่วยได้ถูกนำไปใช้ในรัฐแคลิฟอร์เนียสำหรับหลายองค์กรรวมทั้งอีเบย์, Google, Yahoo, และ Wal-Mart.