Brennstoffzellen

Eine Brennstoffzelle nutzt die chemische Energie von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff, um sauber und effizient Strom zu erzeugen. Wenn Wasserstoff der Brennstoff ist, sind Strom, Wasser und Wärme die einzigen Produkte. Brennstoffzellen sind einzigartig in Bezug auf die Vielfalt ihrer möglichen Anwendungen; sie können Strom für Systeme liefern, die so groß wie ein Elektrizitätswerk und so klein wie ein Laptop-Computer sind.

Warum Brennstoffzellen studieren

Brennstoffzellen können in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Transport, Materialhandhabung, stationäre und tragbare Anwendungen sowie Notstromversorgung. Brennstoffzellen haben mehrere Vorteile gegenüber konventionellen, verbrennungsbasierten Technologien, die derzeit in vielen Kraftwerken und PKWs eingesetzt werden. Brennstoffzellen können mit höheren Wirkungsgraden als Verbrennungsmotoren arbeiten und die chemische Energie im Brennstoff mit Wirkungsgraden von bis zu 60 % in elektrische Energie umwandeln. Brennstoffzellen haben geringere Emissionen als Verbrennungsmotoren. Wasserstoff-Brennstoffzellen stoßen nur Wasser aus, daher gibt es keine Kohlendioxid-Emissionen und keine Luftschadstoffe, die Smog erzeugen und am Betriebsort gesundheitliche Probleme verursachen. Außerdem sind Brennstoffzellen im Betrieb leise, da sie weniger bewegliche Teile haben.

Wie Brennstoffzellen funktionieren

Brennstoffzellen funktionieren wie Batterien, aber sie entladen sich nicht und müssen nicht aufgeladen werden. Sie produzieren Strom und Wärme, solange Brennstoff zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden – einer negativen Elektrode (oder Anode) und einer positiven Elektrode (oder Kathode) – die um einen Elektrolyten herum angeordnet sind. Der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff, zugeführt, der Kathode Luft. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle trennt ein Katalysator an der Anode die Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen, die unterschiedliche Wege zur Kathode nehmen. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis, wodurch ein Stromfluss entsteht. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff und den Elektronen vereinigen, um Wasser und Wärme zu erzeugen. Erfahren Sie mehr über:

• Teile einer Brennstoffzelle
• Brennstoffzellensysteme
• Typen von Brennstoffzellen.

Betrachten Sie die Brennstoffzellen-Animation des Fuel Cell Technologies Office, um zu sehen, wie eine Brennstoffzelle funktioniert.

Forschungs- und Entwicklungsziele

Das U.S. Department of Energy (DOE) arbeitet eng mit seinen nationalen Laboratorien, Universitäten und Industriepartnern zusammen, um kritische technische Hindernisse bei der Entwicklung von Brennstoffzellen zu überwinden. Kosten, Leistung und Haltbarkeit sind immer noch die größten Herausforderungen in der Brennstoffzellenindustrie. Sehen Sie sich weiterführende Links an, die Details über DOE-geförderte Brennstoffzellen-Aktivitäten liefern.

• Kosten-Platin stellt eine der größten Kostenkomponenten einer Brennstoffzelle dar, daher konzentriert sich ein Großteil der F&D auf Ansätze, die die Aktivität und Ausnutzung aktueller Platingruppenmetall- (PGM) und PGM-Legierungs-Katalysatoren erhöhen, sowie auf Nicht-PGM-Katalysator-Ansätze für langfristige Anwendungen.
• Leistung – Um die Leistung von Brennstoffzellen zu verbessern, konzentriert sich R&D auf die Entwicklung von Ionenaustauschmembran-Elektrolyten mit verbesserter Effizienz und Haltbarkeit bei reduzierten Kosten; die Verbesserung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) durch die Integration von MEA-Komponenten auf dem neuesten Stand der Technik; die Entwicklung von Transportmodellen und In-situ- und Ex-situ-Experimenten, um Daten für die Modellvalidierung zu liefern; die Identifizierung von Degradationsmechanismen und die Entwicklung von Ansätzen zur Abschwächung ihrer Auswirkungen; und die Aufrechterhaltung von Kernaktivitäten an Komponenten, Subsystemen und Systemen, die speziell für stationäre und tragbare Energieanwendungen zugeschnitten sind.
• Haltbarkeit – Ein wichtiger Leistungsfaktor ist die Haltbarkeit im Sinne einer Lebensdauer des Brennstoffzellensystems, die den Erwartungen der Anwendung entspricht. Die DOE-Haltbarkeitsziele für stationäre und mobile Brennstoffzellen liegen bei 40.000 Stunden bzw. 5.000 Stunden unter realistischen Betriebsbedingungen. Zu den realistischen Betriebsbedingungen gehören in den anspruchsvollsten Anwendungen Verunreinigungen im Brennstoff und in der Luft, Starten und Stoppen, Einfrieren und Auftauen sowie Feuchtigkeits- und Lastzyklen, die zu Belastungen der chemischen und mechanischen Stabilität der Materialien und Komponenten des Brennstoffzellensystems führen. R&D konzentriert sich auf das Verständnis der Degradationsmechanismen von Brennstoffzellen und die Entwicklung von Materialien und Strategien, die diese abschwächen.

Technische Ziele

Laden Sie den Abschnitt „Brennstoffzellen“ des mehrjährigen Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsplans des Büros für Brennstoffzellentechnologien herunter, um alle Details zu den technischen Zielen zu erfahren, oder sehen Sie sich einzelne Zieltabellen an für:

• Brennstoffzellensysteme, Stacks, und Komponenten für leichteTransportanwendungen
  • Brennstoffzellensysteme und -stapel
  • Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellenkomponenten
  • Brennstoffzellensystembefeuchter und Luftkompressionssysteme
• Brennstoff Brennstoffzellen-Transitbusse
• Brennstoffzellen-Backup-Stromversorgungssysteme
• Brennstoffzellen-Systeme für stationäre Anwendungen (Kraft-Wärme-Kopplung)
• Brennstoffzellen-Systeme für tragbare Stromversorgungen und Hilfsstromanwendungen.