Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 18.29
Schematic of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC)
The current/voltage characteristic of a fuel cell is quite similar to the characteristic
of a PV cell. Unlike secondary electrochemical batteries, the voltage depends very much
on the current. To supply a load with a constant voltage, power electronics are necessary.
The power electronics are also needed to adjust the point on the I/V curve corresponding
to the actual power demand. Therefore, the operation of a fuel cell in applications with
varying load demands without power electronics is impossible. Charging of a battery with
a fuel cell is in principle possible. However, the fuel cell must not exceed certain current
limits for a safe operation. Power electronics that limit current and voltage according to
the requirements are highly recommended. Power electronics are necessary in any case
if a controlled charge of a battery according to one of the charging regimes given in
Figure 18.23 is necessary.
Presently, no cost figures for marketable fuel cells can be given as all available
PEM fuel cells are prototypes for R&D and demonstration. However, there is a huge bunch
of activities in fuel cell research. They are mainly driven by the automobile industry and
by the combined heat and power generation CHP space-heating applications. The target
figures for fuel cell systems in these applications are approximately 100 euro/kW for
automobiles and 1000 euro/kW for CHP space-heating systems.
18.5.2.4 Applications
Hydrogen storage systems have a low overall efficiency. Even under the assumption
of a fuel cell system efficiency of 50%, an electrolyser system efficiency of 85%, no
energy losses for the hydrogen storage and efficiencies of 97% each for the two power-
converting steps, an overall storage system efficiency of 40% maximum is achievable.
Compared with approximately 90% efficiency in lead acid or lithium batteries, this is
rather small and rules out the hydrogen system as the principle and only energy storage
unit in autonomous power supply systems. This will be the fact as long as the power
production is as expensive as it is now. Secondly, the specific storage costs per kilowatt

---

856
ELECTROCHEMICAL STORAGE FOR PHOTOVOLTAICS
hour with the hydrogen system must come down to the values of today’s lead acid batteries
and thirdly, the technical reliability of the complex hydrogen system must be as high as
with conventional batteries. The hydrogen storage system is far away from all these goals
and these goals will be hardly achieved within the next decade.
One interesting line of development is the reversible fuel cell RFC. RFCs fulfil
the functionality of the electrolyser and the fuel cell at the same time. As the process
is completely reversible, this is an obvious solution. Technical problems concerning the
catalysts and the gas and water management within the cell have to be solved [37]. No
commercial products for field applications are available in this technology today.
Applications in autonomous power supply systems will have a combined storage
system made from a conventional battery and the hydrogen system. Figure 18.30 shows a
principle system design as it is currently under development within an R&D project [38].
The hydrogen system here substitutes the conventional motor generator, which is used
today in hybrid systems to bridge the energy gap between summer and winter. A con-
ventional lead acid battery (five days of autonomy) is assisted by the hydrogen storage
systems. During summer, the energy excess from the PV generator is used to produce
hydrogen in the electrolyser (oxygen is released to the atmosphere). The hydrogen is
stored in a metal-hydride tank. During winter, in long periods with low energy supply
Battery 
Electrolyzer
EMS: energy
management
system
Hydrogen storage
system
Fuel cell and
DC/DC
converter
Energy
manage-
ment 
system
Electrical energy flow
Hydrogen flow
Signals,
communication links
BAT
FC
H S S
ELY
TE
DCDC