未來的能源系統必須設計成能夠應對氣候變化，以及應對不斷增長的能源需求以及日益增長的世界人口的交通和能源需求等社會挑戰。燃料電池可能是這個難題的重要組成部分。
燃料電池技術的潛力令人信服，氫作為整個能源系統中的存儲介質也是如此。使用和推廣該技術的強烈論據是高可靠性、可擴展性以及使用可再生能源的能力。
憑借其模塊化設計，燃料電池系統可輕松適應輸出功率與需求的匹配，其低維護要求和低運行成本也使其具有吸引力。此外，燃料電池技術已準備好推向市場并適合商業用途。快速發展的市場為零排放燃料電池技術提供了良好的增長機會。
燃料電池如何工作
與內燃機相比，燃料電池的工作方式有所不同。它們將燃料的化學能直接轉化為電能，然后可用于驅動越來越多的電氣系統。這種轉換比內燃機更有效，因為省去了常規能量轉換器（熱機）所需的中間熱機械步驟。
當所使用的燃料是可再生產生的氫氣時，就會產生最大的加分值，因為它可使污染物和對氣候造成破壞的氣體排放量都減少到零。這樣，燃料電池具有巨大的潛力，可以成為推進和能源系統脫碳的必要技術組件。
低溫質子交換膜燃料電池或PEM（有時稱為聚合物電解質膜燃料電池）目前代表著最合適的技術，用于開發和發展羅爾斯·羅伊斯動力系統產品組合。這種低溫燃料電池具有很高的功率密度，即使是很小的單元也可以實現可觀的輸出。
低溫燃料電池的最高工作溫度約為100攝氏度，對材料和人員的危害最小，而高溫燃料電池則可達到250攝氏度至1,000攝氏度。與其他類型的PEM相比，PEM具有良好的負載跟蹤特性，因此它可以在幾秒鐘內響應電源需求的變化。
緊湊型PEM燃料電池的一個優點是其非常高的電效率。它們通常使用氫燃料作為燃料。但是，它們可以使用多種烴類燃料（例如甲醇，柴油或天然氣）運行。這是通過使用眾所周知的重整技術將燃料轉化為氫氣來實現的。這為PEM燃料電池提供了非常廣泛的應用領域。
PEM燃料電池是一種原電池，可以使燃料和氧化劑（通常是空氣）發生電化學反應，以產生電和廢氣（圖1）。它運行安靜，沒有太多的振動。類似于電池，燃料電池也產生直流電壓。然而，與電池不同，燃料電池需要恒定的燃料和氧化劑流入。
對于PEM燃料電池，化學過程發生在電極（陽極和陰極）之間，其中正離子（質子）從陽極遷移到陰極，并且電子通過電從陽極向外傳導到陰極導體。該過程的產物是可以提取和使用的電能。電極涂有鉑或鈀催化劑，并通過電解質彼此隔開。沒有催化劑，氫和氧將不會發生反應以產生熱量和電能。電解質由離子導電膜組成，重要的是該膜對于質子而言是可滲透的，而對于電子而言則不可滲透。
完善成熟的技術
“聚合物電解質膜燃料電池”表示該膜是該燃料電池的關鍵特征。它通常由塑料制成，類似于特氟龍。充當電解質的水飽和聚合物膜僅允許質子（帶正電的氫原子核）從陽極穿過到陰極。該離子傳導所需的膜中的水含量負責將操作溫度限制為最大100℃。近年來，催化劑所需的貴金屬（例如鉑）的量一直在穩定減少。這已經導致成本大幅度降低，并且仍然是開發工作的重點。
對于羅爾斯·羅伊斯動力系統應用而言，PEM燃料電池是理想的選擇，這歸功于其高功率密度，高可擴展性，模塊化設計能力以及由此帶來的靈活性。例如，燃料電池可以直接內置在電池供電或電氣化的能源系統中。該電池可實現高電效率（約50％）和高電流密度，并且使用非常安全。這使其不僅適合用作固定電源，例如以應急發電機或不間斷電源的形式，還可以在船上使用作為移動電源。
為了進一步提高功率密度，當今的燃料電池系統有時會配備空氣壓縮機或電動渦輪增壓器。與內燃機一樣，壓縮機或渦輪增壓器將空氣以2 bar至3 bar的壓力泵入空氣系統。幾個串聯的單個燃料電池可以串聯形成一個堆，從而提高了電壓。為了獲得更高的性能，堆棧也可以并聯連接。這將產生的電流量增加到串行連接所產生的電流的倍數。
在開發和應用燃料電池技術時，羅爾斯·羅伊斯動力系統公司吸收了深厚的專業知識和多年的經驗（圖2）。從1999年到2011年，共安裝了26個高溫燃料電池系統，即熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），并在各種應用領域中成功運行。電力和加壓蒸汽的結合被廣泛用于工業和衛生部門的過程中。該系統平均運行約22,000小時，并且已記錄并分析了所有性能數據和經驗值。盡管當時的市場條件和總體框架不支持全面生產，但現在所有指示燈都變為綠色，可以將PEM燃料電池引入大眾市場，作為驅動力的替代來源。
燃料電池應用
它們的特征意味著PEM燃料電池適用于當前由內燃機驅動的各種應用。其中，燃料電池可以在零碳數據中心，需求響應和船舶推進系統中發揮關鍵作用。
數據中心。數據中心是全球安全關鍵基礎架構的一部分，包括醫院，機場和電信中心。許多數據中心使用柴油發電機組提供應急電源。化石燃料（柴油）的燃燒不可避免地導致廢氣排放。如果使用燃料電池作為備用電源，那么散發出來的只有熱量和潮濕的廢空氣。燃料電池系統沒有活動部件，從而最大程度地減少了機械維護。燃料電池也比基于發動機的備用系統更高效。另一個優點是可以輕松擴展燃料電池系統的規模。更多的模塊意味著更多的功率，燃料電池系統可以在以后輕松添加并隨數據中心一起發展。
需求響應。為了增加可再生能源的使用，需要高度的靈活性。當存在多余的風能或太陽能時，不是減少生產，而是可以利用電能通過電解產生氫，并將其存儲起來。在需要時，可以借助燃料電池系統以電的形式在短時間內再次提供這種能量。使用智能電網進行的負載管理或“需求響應”活動可能是將能源系統轉換為可持續生產方式的關鍵因素之一。
將PEM燃料電池與電池結合使用的需求響應解決方案是穩定電網和緩沖功率峰值的理想選擇。即使可再生能源的發電量較低，消費者也可以使用該系統滿足他們的要求。PEM燃料電池發電機提供了連接到本地操作系統或微電網的能力。
船舶推進。替代性的推進系統是有吸引力的，不僅對于汽車和卡車，而且對于船舶都是必要的。航運占全球CO 2排放量的2％至3％，并且隨著全球貿易的增加，這一比例到2050年將顯著增加。車載燃料電池系統具有眾多優勢。除了具有可持續性和環境友好性外，基于燃料電池的船舶推進系統還因其高水平的乘客舒適度和高度模塊化而受到青睞。它們安靜，不產生臭味的廢氣，并且幾乎無振動。這種無排放的推進系統使船舶可以在海洋，湖泊和河流地區使用，而這些地區由于不利的環境影響而無法使用某些其他系統。
燃料電池船用推進系統由幾個部分組成。該系統的核心是燃料電池，它將氫轉化為電能。該功率通過車載配電系統饋送到大型用戶，例如驅動螺旋槳和絞盤的電動機，還饋送到較小的“家庭”用戶。車載配電系統還具有一個電力存儲設備（通常是鋰離子電池）來臨時存儲電力。該電池允許在發電和耗電之間存在一定的時間間隔，因此開辟了對單個組件進行定時操作以實現最大效率的可能性。這需要用于控制各個組件的智能電源管理系統。
燃料電池展望
考慮到污染物排放和氣候保護要求，燃料電池技術越來越受到關注。當充分利用可再生能源以實現低排放，零碳的電力和熱量生產時，與其他系統相比，燃料電池在效率方面處于領先地位，因此對于各種燃料電池來說，它都是極具吸引力的主張應用程序。即使在今天，燃料電池仍可用于確保固定的獨立設施以及為陸上車輛和船舶提供動力的移動設備中的高效能源供應。氫燃料電池的最大優勢在于，無論使用船舶還是固定式發電廠，在使用綠色氫的情況下，CO 2排放均可以減少至零。