Los vehículos pesados ​​son la introducción perfecta al uso de pilas de combustible de hidrógeno

A través de un consorcio de Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía, los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge están utilizando su experiencia para proporcionar soluciones para comercializar tecnología de celdas de combustible de hidrógeno de servicio pesado libre de carbono. Como alternativa viable a los motores de combustión interna de gasolina, las pilas de combustible de hidrógeno pueden proporcionar energía limpia y sostenible con una experiencia de usuario comparable.

“Adopción hidrógeno La tecnología en el mercado de HDV podría resultar un gran avance al introducirla en una amplia aplicación “, dijo David Cullen de ORNL, científico del Centro de Ciencia de Materiales Nanofásicos. combustible catalizadores de células y estructuras de electrodos utilizando microscopía y espectroscopía avanzadas. “Combustible de hidrógeno células Son ideales para la industria del transporte, ya que los tiempos de repostaje y la autonomía de conducción son comparables a los de los camiones de gasolina y las rutas de viaje son predecibles, lo que reduce la barrera para el desarrollo de la infraestructura de combustible ”.

Las celdas de hidrógeno contienen más energía por unidad de masa que una batería de litio o diesel. Un camión puede tener más energía disponible sin aumentar significativamente el peso, una consideración importante para los camiones de largo recorrido donde se aplican las reglas de reducción de peso.

En octubre de 2020, la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno (HFTO) del DoE lanzó el Consorcio de Camiones de Celdas de Combustible Million Mile (M2FCT) para respaldar las oportunidades de adopción de celdas de combustible en el mercado de vehículos HDV a través de la investigación y el desarrollo y alinearse con DOE H2 @ Scale Vision para limpieza e hidrógeno económico en muchos sectores de la economía. El M2FCT, compuesto por cinco laboratorios nacionales, trabaja para cumplir con los requisitos de rendimiento, durabilidad y costo de la industria del transporte por carretera. Con $ 50 millones en fondos de la HFTO durante cinco años, el equipo se ha fijado el objetivo para 2030 de demostrar sistemas que tienen una vida útil de 25.000 horas o 1 millón de millas para camiones de largo recorrido.

“Cambiar a vehículos pesados ​​impulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno tendría un impacto significativo en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero”, dijo Ahmet Kusoglu, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Kusoglu señala que los vehículos pesados ​​representan una pequeña fracción de la flota de EE. UU. Y cubren solo el 10% del kilometraje total anual. Sin embargo, según la Agencia de Protección Ambiental, representan el 23% de las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte y representan casi una cuarta parte del combustible consumido anualmente en los EE. UU.

El equipo de M2FCT presentó el estado actual y futuro de la tecnología y abordó los desafíos de su amplia adopción en la industria de vehículos pesados, incluidos camiones, autobuses, trenes y aplicaciones marinas, en la reciente La energía de la naturaleza artículo de revisión. Cullen, el coordinador de M2FCT, es el primer autor del artículo; los coautores son científicos de ORNL, Karren More y M2FCT del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional de Los Alamos, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y el Laboratorio Nacional Argonne.

“El consorcio tiene cuatro pilares: desarrollo de materiales, integración de componentes, durabilidad de componentes y pilas de combustible y análisis del sistema”, dijo Cullen. “Pero se superponen y se nutren entre sí. ORNL trabaja en todas estas áreas a través de nuestra caracterización ”.

More, quien dirige el ORNL Nanophasic Materials Science Center, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, dijo que ORNL utilizará sus capacidades y experiencia únicas en el análisis microestructural y microquímico de materiales y componentes de celdas de combustible para comprender mejor los problemas de durabilidad y rendimiento de las celdas de combustible. macroscópicamente hasta el nivel atómico.

“Continuamos desarrollando métodos novedosos de caracterización y análisis de datos para proporcionar información sobre el comportamiento de los materiales de celdas de combustible de servicio pesado”, dijo. “ORNL proporciona medios innovadores para estudiar la estructura, la química y las propiedades de los materiales, de modo que los problemas de rendimiento y durabilidad puedan entenderse y resolverse para desarrollar nuevos materiales con propiedades optimizadas”.

ORNL también está contribuyendo con su experiencia en la fabricación de rollo a rollo que se coordinará estrechamente con NREL para determinar cómo ampliar los procesos de producción del conjunto de electrodos de membrana. Cullen dijo que el equipo se centrará en desarrollar nuevas estructuras de electrodos que se puedan lograr con un proceso de rollo a rollo en lugar de los procesos convencionales de recubrimiento por pulverización o deposición de tinta.

M2FCT marca un cambio de dirección tras la conclusión del consorcio Fuel Cell Performance and Durability (FC-PAD), que se centró en las pilas de combustible para vehículos comerciales ligeros.

A fines de 2019, el HFTO DOE, en colaboración con la Oficina de Tecnología de Vehículos, emitió Metas Técnicas para las unidades de Tractores de Hidrógeno para Long Haul, también conocidas como Class 8 Long Haul Trucks. Y desarrollo. Un estudio publicado recientemente por M2FCT utiliza camiones de largo recorrido Clase 8 como un caso de estudio para mostrar cómo varias características de diseño afectan el rendimiento y la durabilidad, y cómo los avances realizados para vehículos livianos se pueden utilizar para soportar cargas pesadas. vehículo requisitos.

Las pilas de combustible de hidrógeno generan electricidad mediante una reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno, que juntos generan electricidad, calor y agua. Una pila de combustible puede generar aproximadamente 300 vatios de potencia; Para generar suficiente energía para hacer funcionar el motor eléctrico de un automóvil, las celdas de combustible deben combinarse en una pila de celdas de combustible.

Para cumplir con los objetivos del DOE para los tractores de largo recorrido impulsados ​​por hidrógeno, los investigadores de M2FCT identificaron las diferencias clave entre el diseño pilas de combustible de hidrógeno para vehículos ligeros en comparación con vehículos pesados. Los desafíos, según la química de ANL, Deborah Myers, son que “los vehículos pesados ​​requieren un voltaje de celda más alto para lograr un rendimiento óptimo, así como una vida útil de tres a cinco veces más larga en comparación con los vehículos ligeros, lo que impone mayores demandas de rendimiento y durabilidad”. materiales para pilas de combustible. “Las soluciones en esta área incluyen pruebas de materiales, que estudian cómo los materiales constituyentes de las celdas de combustible existentes se desempeñan y degradan a diferentes temperaturas y humedad y voltajes de celda más altos, y el trabajo de desarrollo que explora cómo la integración de nuevos materiales puede enfrentar este desafío. Desafíos.

El consorcio M2FCT reúne diferentes áreas de experiencia relacionadas con el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible y se comunica con los desarrolladores industriales. Si bien el equipo se centró inicialmente en tractores de largo recorrido impulsados ​​por hidrógeno, los científicos de M2FCT también son optimistas sobre el uso potencial de las pilas de combustible de hidrógeno en otras aplicaciones más exigentes y de alta carga, incluidos trenes, transporte marítimo e incluso aviación.

“El hidrógeno es un portador de energía versátil que está encapsulado en el concepto H2 @ Scale. Puede almacenar energía en enlaces de hidrógeno, lo que es especialmente interesante para el almacenamiento de energía estacional o a largo plazo. Puede usarlo en camiones o en sectores industriales, pero también puede convertirlo nuevamente en electricidad para alimentarlo a la red, dijo Cullen. “Estamos viendo una avalancha de interés en el hidrógeno como portador de energía, y no solo en los vehículos”.