Ogniwa paliwowe

Ogniwo paliwowe wykorzystuje energię chemiczną wodoru lub innego paliwa do czystej i wydajnej produkcji energii elektrycznej. Jeśli paliwem jest wodór, jedynymi produktami są energia elektryczna, woda i ciepło. Ogniwa paliwowe są wyjątkowe pod względem różnorodności potencjalnych zastosowań; mogą zasilać systemy tak duże, jak elektrownie i tak małe, jak laptopy.

Dlaczego warto badać ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym w transporcie, obróbce materiałów, w zastosowaniach stacjonarnych, przenośnych i awaryjnych. Ogniwa paliwowe mają szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami opartymi na spalaniu, stosowanymi obecnie w wielu elektrowniach i pojazdach osobowych. Ogniwa paliwowe mogą pracować z wyższą sprawnością niż silniki spalinowe i mogą przekształcać energię chemiczną zawartą w paliwie w energię elektryczną ze sprawnością sięgającą 60%. Ogniwa paliwowe charakteryzują się niższą emisją zanieczyszczeń niż silniki spalinowe. Wodorowe ogniwa paliwowe emitują tylko wodę, więc nie ma emisji dwutlenku węgla ani zanieczyszczeń powietrza, które tworzą smog i powodują problemy zdrowotne w miejscu ich działania. Ponadto, ogniwa paliwowe są ciche podczas pracy, ponieważ mają mniej ruchomych części.

Jak działają ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe działają jak akumulatory, ale nie wyczerpują się i nie wymagają ładowania. Wytwarzają energię elektryczną i ciepło tak długo, jak długo dostarczane jest paliwo. Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod – elektrody ujemnej (lub anody) i elektrody dodatniej (lub katody) – oplecionych wokół elektrolitu. Paliwo, takie jak wodór, jest podawane do anody, a powietrze do katody. W wodorowym ogniwie paliwowym, katalizator przy anodzie rozdziela cząsteczki wodoru na protony i elektrony, które podążają różnymi drogami do katody. Elektrony przechodzą przez zewnętrzny obwód, tworząc przepływ prądu elektrycznego. Protony wędrują przez elektrolit do katody, gdzie łączą się z tlenem i elektronami, wytwarzając wodę i ciepło. Dowiedz się więcej o:

• Części ogniwa paliwowego
• Systemy ogniw paliwowych
• Rodzaje ogniw paliwowych.

.

Zobacz animację ogniwa paliwowego Biura Technologii Ogniw Paliwowych, aby zobaczyć, jak działa ogniwo paliwowe.

Cele badań i rozwoju

Departament Energii USA (DOE) ściśle współpracuje ze swoimi laboratoriami krajowymi, uniwersytetami i partnerami przemysłowymi w celu pokonania krytycznych barier technicznych w rozwoju ogniw paliwowych. Koszt, wydajność i trwałość to wciąż kluczowe wyzwania w branży ogniw paliwowych. Zobacz powiązane linki, które zawierają szczegółowe informacje na temat działań związanych z ogniwami paliwowymi finansowanych przez DOE.

• Koszt-Platyna stanowi jeden z największych składników kosztów ogniwa paliwowego, więc większość badań R&D koncentruje się na metodach, które zwiększą aktywność i wykorzystanie obecnych katalizatorów platynowych (PGM) i katalizatorów ze stopów PGM, a także katalizatorów innych niż PGM do zastosowań długoterminowych.
• Wydajność – w celu poprawy wydajności ogniw paliwowych, R&D koncentruje się na opracowywaniu elektrolitów membranowych jonowymiennych o zwiększonej wydajności i trwałości przy obniżonych kosztach; ulepszaniu zespołów elektrod membranowych (MEA) poprzez integrację najnowocześniejszych komponentów MEA; opracowywaniu modeli transportu oraz eksperymentów in-situ i ex-situ w celu dostarczenia danych do walidacji modelu; określaniu mechanizmów degradacji i opracowywaniu metod łagodzenia ich skutków; oraz prowadzeniu podstawowej działalności w zakresie komponentów, podsystemów i systemów specjalnie dostosowanych do zastosowań w energetyce stacjonarnej i przenośnej.
• Trwałość – kluczowym czynnikiem wydajności jest trwałość, rozumiana jako czas życia systemu ogniw paliwowych, który spełni oczekiwania aplikacji. Cele DOE w zakresie trwałości dla stacjonarnych i transportowych ogniw paliwowych wynoszą odpowiednio 40 000 godzin i 5 000 godzin w realistycznych warunkach eksploatacyjnych. W najbardziej wymagających zastosowaniach realistyczne warunki pracy obejmują zanieczyszczenia w paliwie i powietrzu, rozruch i zatrzymanie, zamrażanie i rozmrażanie oraz cykle wilgotności i obciążenia, które powodują naprężenia wpływające na chemiczną i mechaniczną stabilność materiałów i komponentów systemu ogniw paliwowych. R&D koncentruje się na zrozumieniu mechanizmów degradacji ogniw paliwowych oraz opracowaniu materiałów i strategii, które pozwolą je złagodzić.

Cele techniczne

Pobierz sekcję Ogniwa paliwowe z Wieloletniego planu badań, rozwoju i demonstracji Biura Technologii Ogniw Paliwowych, aby uzyskać pełne informacje na temat celów technicznych, lub przejrzyj poszczególne tabele celów dla:

• Systemy ogniw paliwowych, stosy, i komponentów dla lekkichzastosowań w transporcie lekkim
  • Systemy i stosy ogniw paliwowych
  • Składniki ogniw paliwowych z membraną z elektrolitem polimerowym
  • Systemy nawilżania i kompresji powietrza w ogniwach paliwowych
• Systemy ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe do autobusów tranzytowych
• Systemy zasilania rezerwowego z ogniwami paliwowymi
• Systemy ogniw paliwowych do zastosowań stacjonarnych (skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej)
• Systemy ogniw paliwowych do zasilania przenośnego i pomocniczego.