Zware voertuigen een ideale instap in het gebruik van waterstofbrandstofcellen

Via een consortium van nationale laboratoria van het Department of Energy passen wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory hun expertise toe om oplossingen te bieden die de commercialisering mogelijk maken van emissievrije waterstof-brandstofceltechnologie voor zware voertuigen, of HDV. Als een levensvatbaar alternatief voor verbrandingsmotoren die worden aangedreven door benzine, kunnen waterstofbrandstofcellen duurzame, schone energie leveren met een vergelijkbare gebruikerservaring.

“De toepassing van waterstoftechnologie in de HDV-markt zou de doorbraak kunnen blijken te zijn die wijdverbreid gebruik zou kunnen lanceren”, zegt David Cullen van ORNL, een wetenschapper in het Center for Nanophase Materials Sciences die brandstofcelkatalysatoren en elektrodestructuren bestudeert met behulp van geavanceerde microscopie en spectroscopie. “Waterstof-brandstofcellen zijn ideaal voor de vrachtwagenindustrie, omdat de tanktijd en het rijbereik vergelijkbaar zijn met die van vrachtwagens met benzinemotor en de reisroutes voorspelbaar zijn, wat de drempel voor het ontwikkelen van een brandstofinfrastructuur verlaagt.”

Waterstof-brandstofcellen bevatten een grotere hoeveelheid energie per massa-eenheid dan een lithiumbatterij of diesel. Een vrachtwagen kan over een grotere hoeveelheid energie beschikken zonder het gewicht aanzienlijk te verhogen – een belangrijke overweging voor langeafstandstransporttrucks die een beleid met betrekking tot gewichtsbeperking hebben.

In oktober 2020 lanceerde het DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, of HFTO, het Million Mile Fuel Cell Truck Consortium, of M2FCT, om kansen voor brandstofcelaanpassing in de HDV-markt te ondersteunen door middel van onderzoek en ontwikkeling en om aan te sluiten bij DOE’s H2 @ Schaal de visie voor schone en betaalbare waterstof over meerdere sectoren in de economie. M2FCT, bestaande uit vijf nationale laboratoria, werkt eraan om te voldoen aan de eisen op het gebied van efficiëntie, duurzaamheid en kosten van de transportsector. Met $ 50 miljoen gefinancierd door HFTO gedurende vijf jaar, heeft het team het doel voor 2030 gesteld om systemen te demonstreren met een levensduur van 25.000 uur of 1 miljoen mijl voor langeafstandstrucks.

“De overgang naar zware bedrijfsvoertuigen op waterstof-brandstofcellen zou een aanzienlijke impact hebben op de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen”, aldus Ahmet Kusoglu, wetenschapper van het Lawrence Berkeley National Laboratory. Kusoglu merkt op dat zware voertuigen een klein deel van het wagenpark in de Verenigde Staten uitmaken en slechts 10% van de totale jaarlijkse voertuigkilometers afleggen. Maar volgens de Environmental Protection Agency dragen ze 23% bij aan de transportemissies van broeikasgassen en zijn ze goed voor bijna een kwart van de brandstof die jaarlijks in de VS wordt verbruikt.

Het M2FCT-team schetste de huidige en toekomstige staat van de technologie en ging in een recent verslag in op de uitdagingen voor brede acceptatie door de zware voertuigindustrie, waaronder vrachtwagens, bussen, treinen en maritieme toepassingen. Natuur energie recensie-artikel. Cullen, coördinator voor M2FCT, is de eerste auteur op papier; co-auteurs zijn onder meer ORNL’s Karren More en M2FCT-wetenschappers van Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory en Argonne National Laboratory.

“Er zijn vier pijlers in dit consortium: materiaalontwikkeling, componentenintegratie, duurzaamheid van componenten en brandstofcellen en systeemanalyse”, aldus Cullen. “Maar ze grijpen in elkaar en voeden zich met elkaar. ORNL werkt op al deze gebieden door ons karakteriseringswerk.”

More, die ORNL’s Center for Nanophase Materials Sciences leidt, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit, zei dat ORNL zijn unieke capaciteiten en expertise in microstructurele en microchemische analyses van brandstofcelmaterialen en -componenten zal toepassen om een ​​beter inzicht te krijgen in brandstofcelprestaties en duurzaamheidsproblemen bij de macroscopisch tot op atomair niveau.

“We blijven nieuwe karakteriseringsmethoden en data-analyse ontwikkelen om inzicht te geven in het gedrag van brandstofcelmaterialen die worden gebruikt in zware toepassingen”, zei ze. “ORNL biedt innovatieve middelen om de structuur, chemie en eigenschappen van materialen te onderzoeken, zodat prestatie- en duurzaamheidsproblemen kunnen worden begrepen en opgelost om nieuwe materialen met geoptimaliseerde eigenschappen te ontwikkelen.”

ORNL draagt ​​ook bij aan roll-to-roll fabricage-expertise, die nauw zal worden gecoördineerd met NREL, om te bepalen hoe de fabricageprocessen voor de membraanelektrode-assemblage kunnen worden opgeschaald. Cullen zei dat het team zich zal concentreren op het ontwikkelen van nieuwe elektrodestructuren die kunnen worden bereikt met behulp van een roll-to-roll-proces in plaats van conventionele spuitcoating- of inktafzettingsprocessen.

M2FCT vertegenwoordigt een koerswijziging na de sluiting van het Fuel Cell Performance and Durability, of FC-PAD, consortium, dat zich richtte op brandstofcellen voor lichte voertuigen.

Eind 2019 publiceerde DOE’s HFTO, in samenwerking met het Vehicle Technologies Office, technische doelstellingen voor langeafstandstransporttrucks op waterstof, ook wel bekend als klasse 8 langeafstandsvrachtwagens. Deze doelstellingen zetten het werk van M2FCT-onderzoekers in gang door O&O in een vroeg stadium te begeleiden. De studie die onlangs door M2FCT is vrijgegeven, maakt gebruik van klasse 8-langeafstandsvrachtwagens als een casestudy om te laten zien hoe verschillende ontwerpkenmerken van invloed zijn op efficiëntie en duurzaamheid, en ook hoe de vorderingen die zijn gemaakt voor lichte voertuigen kunnen worden benut om te voldoen aan de vereisten voor zware voertuigen. .

Waterstof-brandstofcellen wekken elektriciteit op door een elektrochemische reactie tussen waterstof en zuurstof, die samen elektriciteit, warmte en water opwekken. Een brandstofcel kan ongeveer 300 watt aan vermogen genereren; Om voldoende vermogen te genereren om de elektromotor van een auto te laten draaien, moeten de brandstofcellen worden gecombineerd tot een brandstofcelstapel.

Om te voldoen aan de doelstellingen van DOE voor langeafstandstransporttrucks op waterstof, hebben M2FCT-onderzoekers de belangrijkste verschillen geïdentificeerd tussen het ontwerpen van waterstofbrandstofcellen voor lichte voertuigen en zware voertuigen. Uitdagingen, volgens ANL-chemicus Deborah Myers, zijn dat “ zware voertuigen een hogere celspanning nodig hebben om optimale efficiëntie te bereiken, naast een drie tot vijf keer langere levensduur in vergelijking met lichte voertuigen, waardoor hogere eisen worden gesteld aan de prestaties en duurzaamheid van de brandstofcelmaterialen. ” Oplossingen hiervoor zijn onder meer materiaalonderzoek dat onderzoekt hoe bestaande brandstofcelcomponenten werken en degraderen onder verschillende temperatuur- en vochtigheidsniveaus en bij hogere celspanningen, en ontwikkeling die onderzoekt hoe de integratie van nieuwe materialen deze uitdagingen het hoofd kan bieden.

Het M2FCT-consortium brengt verschillende expertisegebieden samen met betrekking tot brandstofcelefficiëntie en duurzaamheid en communiceert met industriële ontwikkelaars. Hoewel de focus van het team in eerste instantie ligt op door waterstof aangedreven lange-afstands-trekkers met oplegger, zijn M2FCT-onderzoekers ook optimistisch over de mogelijke acceptatie van waterstofbrandstofcellen in andere, meer veeleisende zware toepassingen, waaronder treinen, maritiem en zelfs luchtvaart.

“Waterstof is een veelzijdige energiedrager, die is ingekapseld in het H2 @ Scale-concept. Je kunt energie opslaan in waterstofbruggen en dit is vooral interessant voor langdurige of seizoensgebonden energieopslag. Je kunt het gebruiken in een vrachtwagen of industriële sectoren. , maar je kunt het ook weer omzetten in elektriciteit om op het net te zetten, “zei Cullen. “We zien een sneeuwbaleffect in waterstof als energiedrager, en niet alleen voor voertuigen.”