Brandstofcellen

Een brandstofcel gebruikt de chemische energie van waterstof of een andere brandstof om op een schone en efficiënte manier elektriciteit te produceren. Als waterstof de brandstof is, zijn elektriciteit, water en warmte de enige producten. Brandstofcellen zijn uniek wat betreft de verscheidenheid van hun potentiële toepassingen; ze kunnen stroom leveren voor systemen zo groot als een elektriciteitscentrale en zo klein als een laptopcomputer.

Waarom brandstofcellen bestuderen

Brandstofcellen kunnen worden gebruikt in een breed scala van toepassingen, waaronder transport, materiaalverwerking, stationaire, draagbare en noodreserve-energie toepassingen. Brandstofcellen hebben verschillende voordelen ten opzichte van conventionele verbrandingstechnologieën die momenteel in veel energiecentrales en personenauto’s worden gebruikt. Brandstofcellen kunnen bij hogere rendementen werken dan verbrandingsmotoren en kunnen de chemische energie in de brandstof omzetten in elektrische energie met rendementen tot 60%. Brandstofcellen hebben lagere emissies dan verbrandingsmotoren. Waterstofcellen stoten alleen water uit, dus er zijn geen kooldioxide-emissies en geen luchtverontreinigende stoffen die smog veroorzaken en gezondheidsproblemen veroorzaken op de plaats waar ze in bedrijf zijn. Brandstofcellen zijn ook stil tijdens de werking omdat ze minder bewegende onderdelen hebben.

Hoe brandstofcellen werken

Brandstofcellen werken als batterijen, maar ze lopen niet leeg en hoeven niet te worden opgeladen. Ze produceren elektriciteit en warmte zolang er brandstof wordt toegevoerd. Een brandstofcel bestaat uit twee elektroden – een negatieve elektrode (of anode) en een positieve elektrode (of kathode) – die rond een elektrolyt zijn ingeklemd. Een brandstof, zoals waterstof, wordt naar de anode gevoerd en lucht naar de kathode. In een waterstofbrandstofcel scheidt een katalysator aan de anode waterstofmoleculen in protonen en elektronen, die verschillende paden nemen naar de kathode. De elektronen gaan door een extern circuit, waardoor een stroom van elektriciteit ontstaat. De protonen migreren door de elektrolyt naar de kathode, waar ze zich verenigen met zuurstof en de elektronen om water en warmte te produceren. Meer informatie over:

• Onderdelen van een brandstofcel
• brandstofcelsystemen
• Soorten brandstofcellen.

Bekijk de brandstofcel-animatie van het Fuel Cell Technologies Office om te zien hoe een brandstofcel werkt.

Onderzoeks- en ontwikkelingsdoelstellingen

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) werkt nauw samen met zijn nationale laboratoria, universiteiten en industriële partners om de kritieke technische barrières voor de ontwikkeling van brandstofcellen te overwinnen. Kosten, prestaties en duurzaamheid zijn nog steeds belangrijke uitdagingen in de brandstofcelindustrie. Bekijk gerelateerde links met details over door DOE gefinancierde brandstofcelactiviteiten.

• Kosten-Platina vertegenwoordigt een van de grootste kostencomponenten van een brandstofcel, dus veel van het O&D richt zich op benaderingen die de activiteit en het gebruik van de huidige platinagroep-metaal (PGM) en PGM-legeringkatalysatoren zullen verhogen, evenals niet-PGM-katalysatorbenaderingen voor langetermijntoepassingen.
• Prestaties – Om de prestaties van brandstofcellen te verbeteren, richt R&D zich op de ontwikkeling van ionenuitwisselingsmembraanelektrolyten met verbeterde efficiëntie en duurzaamheid tegen lagere kosten; verbetering van membraanelektrode-samenstellingen (MEA’s) door integratie van geavanceerde MEA-componenten; ontwikkeling van transportmodellen en in-situ- en ex-situ-experimenten om gegevens voor modelvalidering te leveren; identificatie van degradatiemechanismen en ontwikkeling van benaderingen om de effecten daarvan te beperken; en handhaving van kernactiviteiten op componenten, subsystemen en systemen die specifiek zijn toegesneden op stationaire en draagbare energietoepassingen.
• Duurzaamheid – Een belangrijke prestatiefactor is duurzaamheid, in de zin van een levensduur van het brandstofcelsysteem die aan de verwachtingen van de toepassing voldoet. De DOE-duurzaamheidsdoelstellingen voor stationaire en transportbrandstofcellen zijn respectievelijk 40.000 uur en 5.000 uur onder realistische bedrijfsomstandigheden. In de meest veeleisende toepassingen omvatten realistische bedrijfsomstandigheden onzuiverheden in de brandstof en de lucht, starten en stoppen, bevriezen en ontdooien, en vochtigheids- en belastingscycli die resulteren in spanningen op de chemische en mechanische stabiliteit van de materialen en componenten van het brandstofcelsysteem. R&D richt zich op het begrijpen van de degradatiemechanismen van brandstofcellen en het ontwikkelen van materialen en strategieën om deze te verminderen.

Technische doelstellingen

Download de sectie Brandstofcellen van het Meerjarenplan voor onderzoek, ontwikkeling en demonstratie van het Bureau Brandstofceltechnologieën voor alle details over de technische doelstellingen, of bekijk de afzonderlijke doelstellingentabellen voor:

• brandstofcelsystemen, -stapels, en componenten voor lichtetransporttoepassingen
  • brandstofcelsystemen en -stacks
  • componenten van polymeer-elektrolietmembraanbrandstofcel
  • bevochtigers en luchtcompressiesystemen voor brandstofcelsystemen

brandstofcel cell-transitbussen

• Hulpsystemen met brandstofcellen
• brandstofcelsystemen voor stationaire toepassingen (warmtekrachtkoppeling)
• brandstofcelsystemen voor draagbare stroom- en hulpenergietoepassingen.