Waterstof als brandstof voor een brandstofcel?
Waterstof is de meest geschikte brandstof voor brandstofcellen. Een brandstofcel zet de chemische energie van waterstof direct om in elektrische energie. Het grote verschil met verbrandingsmotoren is de directe omzetting zonder gebruik van de Carnot cyclus. Het grote voordeel van de elektrochemische omzetting is een hogere rendement dat hiermee kan worden verkregen.
Werking van een brandstofcel
Illustratie van het principe van een brandstofcel
Het principe van een brandstofcelstack
Een brandstofcel is het best te vergelijken met een gasgestookte batterij, aan de ene elektrode (anode) wordt de brandstof (waterstof) aangeboden en de andere kant (kathode) zuurstof. De elektrodes worden gescheiden door een elektrolyt dat zorgt voor lading transport in de cel. Door een reeks van elektrochemische reacties, afhankelijk van het type brandstofcel wordt uit waterstof en zuurstof water gemaakt en komen elektronen beschikbaar aan de anode bij een spanningverschil van ongeveer 0,7 volt. Evenals bij een batterij kan de elektrische energie worden gebruikt voor de verschillende toepassingen. Deze energie opwekking kan worden gezien als het omgekeerde proces van de elektrolyse van water waarbij uit water waterstof en zuurstof wordt gemaakt door stroom door de elektrolysecel te sturen terwijl in de brandstofcel uit waterstof en zuurstof water wordt gemaakt en er een elektrische stroom kan worden geleverd. Een brandstofcel bestaat dus uit een anode, een elektrolyt en een kathode, tezamen genoemd een MEA (membrane electrode assembly). De dikte van de MEA’s zijn in de ordegrootte van millimeters (zie de wituitziende plaatjes in de onderste figuur). Om het waterstof en zuurstof goed naar de elektrodes te kunnen leiden worden er plaatjes met gaskanalen aan weerszijden toegevoegd. Door vervolgens meerdere van deze plaatjes en MEA’s achter elkaar te plaatsen ontstaat een brandstofcelstack, welke je in grootte kan laten variëren, afhankelijk van het gewenste vermogen.
Videomateriaal
Types brandstofcellen: hoog temperatuur en laagtemperatuur
Overzicht types brandstofcellen
Er bestaan een groot aantal types brandstofcellen, de cel wordt genoemd naar het elektrolyt dat wordt gebruikt in de cel. Het elektrochemische proces treedt op bij hoge of lage temperatuur afhankelijk van de ladingsdrager voor het ionen transport in het elektrolyt.
Nevenstaand figuur en schema geven een overzicht van de types met bijbehorende elektrolyt, werktemperaturen etc. De polymeer elektrolyt brandstofcel (PEMFC), de directe methanol brandstofcel (DMFC), de alkalische brandstofcel (AFC), de fosforzure brandstofcel (PAFC), de gesmolten carbonaat brandstofcel (MCFC) en de vaste oxide brandstofcel (SOFC).
De koolstof uit de figuur komt op twee plaatsen voor:
1. DMFC: bij de Directe Methanol BranstofCel wordt het
koolstof aangevoerd als onderdeel van het methanolmolecuul
2. MCFC: bij een Molten Carbonate Fuel Cell moet CO2 aan de
zuurstof toegevoegd worden om het zuurstofion door het
electroliet te transporteren. Aan de anode komt dit weer
vrij. Het vrijgekomen gas wordt van de productstroom
gescheiden en dan weer bij de kathode toegevoegd.'
| AFC | PEMFC | DMFC | PAFC | MCFC | SOFC | |
| Bedrijfstemperatuur (°C) | 80 | 40–80 | 60–130 | 200 | 650 | 1000 |
| Brandstof | H2 | H2 (/CO2) | methanol | H2 (/CO2) | H2, CO | H2, CO |
| Elektroliet | KOH | polymeer | polymeer | fosforzuur | gesmolten carbonaat | vast oxide |
| Mobiele ion | OH− | H+ | H+ | H+ | (CO3)2− | O2− |
| Toepassing | ruimtevaart, (transport) | transport, grootschalige energieopwekking, WKK, draagbare energie | laptop, mobieltje, draagbare energie, transport | grootschalige energieopwekking, WKK | grootschalige energieopwekking, WKK | grootschalige energieopwekking, WKK |
Types en karakteristieken brandstofcellen
Om de chemisch reacties snel te laten verlopen wordt er gebruik gemaakt van een katalysator. Met name voor lage temperatuur brandstofcellen is dat belangrijk om de reactiesnelheid te verhogen en de dynamische responsie dus te bevorderen. Platina is de meest gebruikte katalysator in DMFC en PEMFC. Om deze katalysatoren goed te laten functioneren (met name over de tijd) is een zeer zuivere waterstof nodig. Met name koolstofmono-oxide (CO) concentraties dienen erg laag zijn. Tevens is het mogelijk de katalysator meer CO-bestendig te maken door het toevoegen van andere metalen (ruthenium). Hoge temperatuur brandstofcellen (MCFC, SOFC) maken gebruik van goedkope metalen zoals nikkel als katalysator. Het katalytisch vermogen van deze metalen is lager dan platina maar door de hogere werkingstemperatuur wordt dit gecompenseerd. Hoge temperatuur brandstofcellen zijn veel minder gevoelig voor verontreinigingen in de brandstof en vereisen daarom maar minder opschoningstappen dan waterstof voor lage temperatuur brandstofcellen. Daarnaast lenen hoge temperatuur brandstofcellen zich uitstekend voor co- of trigeneratie doeleinden.