无人机燃料电池如何工作？
探索燃料电池的发展并研究不同的系统。燃料电池是一种电化学装置，它将氢燃料与氧气结合起来产生电，热和水。燃料电池类似于电池，只要燃料可用就会发生电化学反应。氢气储存在加压容器中，氧气从空气中取出。由于没有燃烧，没有有害排放物，唯一的副产品是纯净水。从质子交换膜燃料电池（PEMFC）排出的水是如此纯净，温哥华巴拉德动力系统的游客可以享用由这种清洁水制成的热茶。
基本上，燃料电池使用由电解质隔开的两个电极反向电解。阳极（负电极）接收氢，阴极（正电极）收集氧。阳极处的催化剂将氢分离成带正电的氢离子和电子。氧被电离并通过电解质迁移到阳极室，在那里它与氢结合。单个燃料电池在负载下产生0.6-0.8V。为了获得更高的电压，几个电池串联连接。图1说明了燃料电池的概念。在将碳燃料转化为能量时，燃料电池技术的效率是燃烧的两倍。氢是最简单的化学元素（一个质子和一个电子），作为燃料是丰富且非常清洁的。氢占宇宙的90％，是地球表面第三丰富的元素。如此丰富的燃料将以相对低的成本提供几乎无限的清洁能源。但是有一个障碍。
对于大多数燃料，氢与其他物质结合并“释放”气体需要能量。就净热值（NCV）而言，氢的生产成本高于汽油。有人说氢气几乎是能量中性的，这意味着它需要的生产能量与最终目的地相同。
氢的储存带来了另一个缺点。加压氢气需要重型钢罐，NCV体积比液体石油产品低约24倍。液体形式更密集，氢气需要大量的绝缘材料进行冷藏。
通过从现有燃料（例如甲醇，丙烷，丁烷或天然气）中提取，也可以用重整器生产氢气。将化石燃料转化为纯氢气释放出一些剩余的碳，但这比汽车尾气管的危害低90％。携带重整器会增加车辆的重量并增加其成本; 改革者也很迟钝。氢转化的净效益是有问题的，因为它不能解决能源问题。
威尔士法官和绅士科学家威廉格罗夫爵士于1839年开发了燃料电池概念，但这项发明从未起飞。这是在内燃机（ICE）的开发过程中显示出有希望的结果。直到20世纪60年代，燃料电池才在双子座太空计划中投入实际应用。美国宇航局更喜欢这种清洁能源供核能或太阳能发电。选择的碱性燃料电池系统为宇航员发电并产生饮用水。
高材料成本使得燃料电池不能用于商业用途。燃料电池芯（堆叠）昂贵且寿命有限。在内燃机中燃烧化石燃料是利用能源的最简单和最有效的手段，但它会污染。
20世纪70年代早期，高成本并没有阻止已故的碱性电池共同发明者Karl Kordesch将汽车转换为碱性燃料电池。他将氢气罐安装在屋顶上，并将燃料电池和备用电池放在行李箱中。根据Kordesch的说法，有足够的空间容纳四个人和一只狗。他在美国俄亥俄州驾驶他的汽车多年，但Kordesch亲自告诉我的唯一问题是汽车没有通过检查，因为它没有尾管。
以下是最常见的燃料电池概念。质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜，也称为PEM，使用聚合物电解质。PEM是最发达和最常用的燃料电池系统之一; 它为汽车提供动力，用作便携式电源，并提供备用电源来代替办公室中的固定电池。PEM系统允许紧凑的设计并实现高能量重量比。另一个优点是在施加氢气时启动相对较快。烟囱在80°C（176°F）的中等温度下运行，效率为50％。（ICE的效率是25-30％。）
从负面来看，PEM燃料电池具有较高的制造成本和复杂的水管理系统。烟囱中含有氢气，氧气和水，如果干燥，必须加水以使系统启动; 太多的水导致洪水泛滥。堆栈需要化学级氢; 较低的燃料等级会导致膜的分解和堵塞。考虑到150V堆栈需要250个单元，测试和修复堆栈是困难的。
冷冻水会损坏烟囱并且可以添加加热元件以防止结冰。冷时启动很慢，一开始性能很差。过热也会造成损坏。控制温度和供应氧气需要压缩机，泵和其他配件，这些配件消耗约30％的能量。
在车辆中操作PEM燃料电池，PEMFC堆栈的估计使用寿命为2,000-4,000小时。短距离驾驶引起的润湿和干燥有助于膜应力。连续运行，固定堆栈可以使用大约40,000小时。堆栈不会突然死亡，但会像电池一样消失。更换堆栈是一项重大开支。
碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池已成为航空航天的首选技术，包括航天飞机。制造和运营成本很低，特别是对于堆栈。虽然PEM的分离器成本在每平方米800美元到1,100美元之间，但碱性系统的相同材料几乎可以忽略不计。（铅酸电池的分离器每平方米成本为5美元。）水管理简单，不需要压缩机和其他外围设备; 效率在60％的范围内。否定的是AFC的物理尺寸大于PEM，需要纯氧和氢作为燃料。污染城市中存在的二氧化碳量会使堆栈中毒，这将AFC限制在专门的应用中。
固体氧化物燃料电池（SOFC）电力公用事业使用三种类型的燃料电池，即熔融碳酸盐，磷酸和固体氧化物燃料电池。在这些选择中，固体氧化物（SOFC）是最不发达的，但由于电池材料和堆叠设计的突破，它已经获得了新的关注。新一代陶瓷材料不是在800-1,000°C（1,472-1,832°F）的极高工作温度下运行，而是将核心降低到更容易控制的500-600°C（932-1,112°F） 。这允许使用传统的不锈钢而不是昂贵的陶瓷作为辅助部件。
高温允许通过催化重整过程从天然气中直接提取氢。一氧化碳是PEM的污染物，是SOFC的燃料。能够在没有指定的重整器的情况下接受碳基燃料并且提供高效率对于这种类型的燃料电池具有显着的优势。通过从热量副产品运行蒸汽发生器的热电联产将SOFC提高到60％的效率，这是燃料电池中最高的之一。作为负极，高堆温度需要核心的特殊材料，这增加了制造成本并降低了寿命。
燃料电池的类型应用核心温度
效率优点限制
质子交换膜（PEMFC）便携式，固定式和汽车50-100℃;
典型值80°C;
效率35-60％设计紧凑，使用寿命长，启动快，开发完善昂贵的催化剂; 需要化学级燃料; 复杂的热量和水控制
碱性
（AFC）太空，军事，潜艇，运输90-100℃;
效率高60％零件和运营成本低; 没有压缩机; 快速阴极动力学大尺寸; 对氢和氧杂质敏感
熔融碳酸盐
（MCFC）大发电600-700℃;
效率高45-50％效率高，燃料灵活，热电联产高温会导致腐蚀，启动时间长，寿命短
磷酸
（PAFC）中到大型发电150-200℃;
效率高40％对燃料杂质的良好耐受性; 热电联产效率低; 使用寿命有限; 昂贵的催化剂
固体氧化物（SOFC）中到大型发电700-1000℃;
效率高60％对燃料有耐心; 可以使用天然气，高效高温会导致腐蚀，启动时间长，寿命短
直接甲醇
（DMFC）便携式，移动式和固定式使用40-60℃;
效率20％紧凑; 以甲醇为食; 没有压缩机复杂的堆栈; 反应慢;
效率低下
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