Doorbraak van knelpunten: de technologische sprong voorwaarts in de efficiëntie van energieopwekking met brandstofcellen

Temidden van de wereldwijde golf van energietransitie, brandstofcellen Ze worden beschouwd als een essentieel onderdeel van toekomstige energiesystemen vanwege hun hoge efficiëntie en schone eigenschappen. De overgang van laboratorium naar industriële toepassing stuit echter steeds weer op technische knelpunten bij het verbeteren van hun energieopwekkingsrendement. De afgelopen jaren zijn er, dankzij materiaalinnovatie, structurele optimalisatie en systeemintegratie, baanbrekende vorderingen gemaakt op verschillende belangrijke gebieden.

Het dilemma tussen katalysatorefficiëntie en kosten oplossen: Platina-gebaseerde katalysatoren domineerden lange tijd vanwege hun hoge activiteit, maar hun schaarste zorgt ervoor dat de kosten 60% tot 80% van de totale kosten uitmaken. Om deze impasse te doorbreken, hebben onderzoeksteams nanotechnologie ingezet om platina-deeltjes te verspreiden tot een concentratie van 0,3-0,5 g/kW. Tegelijkertijd maakt de ontwikkeling van single-atom katalysatortechnologie het mogelijk dat individuele platina-atomen een katalytische efficiëntie bereiken die tien keer zo hoog is als die van traditionele nanodeeltjes. Nog belangrijker is de aanzienlijke vooruitgang die is geboekt met katalysatoren op basis van niet-edele metalen: nikkel-gebaseerde katalysatoren hebben door middel van defectengineering hun activiteit zien toenemen tot 30% van die van platina, terwijl ijzer-gebaseerde katalysatoren, na doping met koolstofnanobuisjes, een doorbraak in duurzaamheid hebben bereikt met minder dan 40% degradatie over 2000 uur cyclen. Deze doorbraken maken een kostenreductie van 90% voor katalysatoren mogelijk, waarmee een belangrijk obstakel voor de grootschalige toepassing van brandstofcellen wordt weggenomen.

De grenzen van de prestaties van protonuitwisselingsmembranen verleggen: De sterke prestatiedaling van traditionele Nafion-membranen bij hoge temperaturen (>120 °C) heeft de uitbreiding van toepassingsmogelijkheden voor brandstofcellen lange tijd beperkt. Nieuwe nanocomposietmembraantechnologie, door de hybridisatie van grafeen en polymeren, verhoogt de ionengeleiding met 30%. Tegelijkertijd verbetert de introductie van anorganische vulstoffen de thermische stabiliteit, waardoor het membraanmateriaal zelfs bij 150 °C stabiel blijft. Opmerkelijk is dat ultradunne, versterkte protonuitwisselingsmembranen een dikte van slechts 7 micrometer hebben bereikt. Dit verhoogt niet alleen de vermogensdichtheid aanzienlijk, maar vermindert ook, dankzij het zelfbevochtigende effect via waterdampdiffusie, de behoefte aan externe bevochtiging, waardoor de systeemcomplexiteit sterk wordt vereenvoudigd.

Optimalisatie van gastransport en reactiekinetiek: Het microstructurele ontwerp van de gasdiffusielaag (GDL) is een nieuw aandachtspunt geworden voor het verbeteren van de efficiëntie. Driedimensionale poreuze structuren, door de poriegrootteverdeling te beheersen (2-5 nanometer), verhogen de protondiffusiesnelheid met 20%, terwijl driedimensionale elektrodeontwerpen, ondersteund door koolstofnanobuisjes, de specifieke oppervlakte/volumeverhouding met 50% verhogen. Op het niveau van de reactiekinetiek versnelt machine learning-ondersteund katalysatorontwerp de materiaalselectie door middel van simulatieberekeningen. In combinatie met dunnefilmkatalysatoren die zijn bereid met behulp van atomaire laagdunne depositietechnologie, vermindert dit de massatransportweerstand met 35%.

Intelligente upgrades in systeemintegratie en thermisch beheer: Het verbeteren van de efficiëntie van brandstofcelsystemen berust niet alleen op doorbraken in kerncomponenten, maar ook op algehele synergetische optimalisatie. Intelligente thermische beheersystemen, die faseveranderingsmaterialen combineren met microkanaalkoelplaten, beheersen temperatuurschommelingen binnen de brandstofcelstapel tot binnen ±2 °C, waardoor efficiëntieverlies door temperatuurgradiënten wordt voorkomen. Tegelijkertijd vermindert het afgeplatte ontwerp van luchttoevoersystemen de interne drukval. In combinatie met 3D stereoscopische bipolaire platen met een fijnstroomveld verbetert dit de uniformiteit van de reactieve gasverdeling. Van controle op atomair niveau van katalysatoren tot nanocomposietmodificatie van membraanmaterialen, van microstructurele optimalisatie van gastransport tot intelligente aansturing van systeemintegratie: de verbetering van de efficiëntie van brandstofcelenergieopwekking ondergaat een kwalitatieve verandering van puntdoorbraken naar systeeminnovatie. Door de diepe integratie van materiaalkunde, kunstmatige intelligentie en productieprocessen wordt verwacht dat brandstofcellen vóór 2030 een verdere verbetering van de systeemefficiëntie zullen bereiken. Dit zal koolstofvrije oplossingen bieden voor transport, energieopwekking, energieopslag en andere sectoren, waarmee een nieuw hoofdstuk in de energietransitie wordt ingeluid.