Brandstofcel

Van Wikipedia

Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie, waarbij anders dan bij een batterij of accu voortdurend nieuwe reagentia van buiten kunnen worden aangevoerd.

De principiële opzet van een brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en kathode met daartussen een elektrolytlaag. Een schematische opzet is getekend in onderstaande figuur.

Brandstofcel. De brandstofcel is het vierkante gelaagde gedeelte in het midden van de foto

In een typische brandstofcel wordt de anode gevoed met een constante, gasvormige brandstofstroom, terwijl de oxidator (meestal zuurstofgas uit de lucht) met een constante gasvormige stroom aan de kathode toegevoerd wordt. De oxidatie- en reductiereacties vinden plaats aan verschillende elektroden. De separatie van deze reacties heeft tot gevolg dat een negatieve lading wordt opgebouwd in de anode en een positieve lading bij de kathode. Door een stroomkring aan te brengen kan elektrische energie onttrokken worden aan de reacties. Tussen de elektroden bevindt zich een elektrolyt, die de overdracht van ladingen tussen beide elektroden mogelijk maakt en zo de stroomkring sluit.

Een enkele brandstofcel heeft een output van -/+ 0.7 volt. Om voldoende voltage te krijgen worden er meerdere brandstofcellen bij elkaar geplaatst. Dit heet dan een brandstofcel stack.

[bewerk] Soorten brandstofcellen

Toyota FCHV PEM FC brandstofcel auto

Brandstofcellen worden vaak genoemd naar de aard van de gebruikte elektroliet en zijn onder te verdelen in 2 groepen:

Hoge temperatuur brandstofcellen:

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforzure brandstofcel)
PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell (gesmolten carbonaat brandstofcel)
SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (vaste oxide brandstofcel)

Lage temperatuur brandstofcellen:

AFC: Alkaline Fuel Cell (alkalische brandstofcel)
DBFC: Direct Borohydride Fuel Cells
DMFC: Direct Methanol Fuel Cell (Dit is een uitzondering in de naamgeving)
FAFC: Formic acid fuel cell
PEM FC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (of Polymer Electrolyte Fuel Cell) (vaste polymeer brandstofcel)

Omkeerbare brandstofcel
Redox Fuell Cell
Zinc fuel cell
MFC: Microbial Fuel Cell (Biobrandstofcel)

**Types brandstofcellen en enkele karakteristieke eigenschappen**
	AFC	PEM FC	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

[bewerk] Uitdagingen

[bewerk] Levensduur

Voor de hoge temperatuurcellen (MCFC en SOFC) is één van de grootste technische uitdagingen de verlenging van de levensduur van de celstapelingen tot minstens 90.000 uur (circa 10 jaar).

[bewerk] Voortgang

Op dit moment is grootste nadeel van de toepassing van waterstof gelegen in de kosten. Toen NASA voor het eerst een brandstofcel toepaste, kostte een kilowattuur (KWh) ruim 58 Euro. In 2000 waren de kosten al teruggelopen tot zo'n 0,10 Euro per KWh en we zijn nu 6 jaar verder. Anno 2006 zijn de kosten vooral afhankelijk van de afstand waarover waterstofgas moet worden aangevoerd. In de regio Rotterdam en Delfzijl, ontstaat waterstofgas als bijproduct in de proces industrie. Mede gefinancierd door SenterNovem (uitvoeringsorganisatie van het ministerie van Economische Zaken op het gebied van duurzaamheid en innovatie) gaat de Nederlandse brandstofcel producent Nedstack samen met AKZO Nobel Chemicals in 2006/2007 in Delfzijl een proef-elektriciteitscentrale bouwen van in eerste instantie 100 kWe met als uiteindelijk doel een PEM Powerplant van 5 MW, waar de Nedstack brandstofcellen in een duurproef worden getest. Dit levert de fabriek een substantiële elektriciteitsbesparing op.

Afhankelijk van de brandstof hebben veel brandstofcellen schone afvalproducten, bijvoorbeeld puur water, die het milieu niet belasten. Dit voordeel wordt veelal echter teniet gedaan als de gebruikte brandstoffen uit of met gebruik van bestaande niet-schone energiedragers (aardgas, kolen) moeten worden gewonnen waarbij wel milieubelasting optreedt. Het zou daarom wenselijk zijn om de brandstof uit schone bron te betrekken, bijvoorbeeld door met zonne-energie of waterkracht water te splitsen in waterstof en zuurstof. Er is al veel onderzoeks- en ontwikkelingswerk gedaan om op deze manier een schone, zogeheten waterstofeconomie te verwezenlijken, de techniek is zover, de brandstofcellen zijn voldoende ontwikkeld voor bij voorbeeld toepassing bij Micro-WKK en in auto's, het probleem nu ligt in de distributie van waterstof zoals de introductie van voldoende tankstations en uitwisselbare (hervulbare) tanks.

Bedrijven zoals Nedstack slagen er in de kostprijs van brandstofcellen elk jaar ongeveer te halveren. Anno 2006 komen toepassinggebieden als stadsbussen, binnenvaartschepen en intern transport in beeld als rendabele toepassing. De verwachting is dat rond 2010 brandstofcel systemen kunnen concurreren met de hedendaagse verbrandingsmotor. Qua prijs en vermogen. De levensduur moet dan nog bewezen worden. De autofabrikant Toyota heeft al een productie model met brandstofcel aangekondigd voor 2010.

[bewerk] Rendement

Er zijn betere rendementen mogelijk dan in gewone verbrandingsmotoren of stoommachines omdat de omzetting niet verloopt volgens een Carnot-cyclus. In de Carnot-cyclus wordt de chemische energie namelijk eerst in warmte omgezet, en pas daarna in bijvoorbeeld elektrische energie:

Vergelijking processen
Brandstof cel:	Chemische energie			→	Elektrische energie (Arbeid)
Carnot proces:	Chemische energie	→	Warmte	→	Elektrische energie (Arbeid)

Bij de laatste stap treden als gevolg van de tweede hoofdwet van de thermodynamica noodzakelijkerwijs grote verliezen op, omdat altijd maar een deel van de warmte in arbeid kan worden omgezet. Brandstofcellen hebben dit probleem niet, hoewel ook die hun eigen (veel kleinere) omzettingsverliezen hebben.

[bewerk] Geschiedenis

De eerste brandstofcel werd reeds ontwikkeld in de 19e eeuw door de Engelsman William Grove. Hoewel een schets van deze techniek al in 1843 gepubliceerd werd, duurde het nog tot de zestiger jaren van de 20e eeuw voordat de brandstofceltechnologie kon worden ingezet.

Ze werden met name door de Verenigde Staten gebruikt in de ruimtevaart om water en elektriciteit uit de beschikbare waterstof te maken. Hier werden echter zeer exotische en dus dure materialen gebruikt, en de brandstofcellen werken uitsluitend op zeer zuivere waterstof.

Verdere technologische ontwikkeling in de tachtiger en negentiger jaren, zoals het gebruik van Nafion® als elektroliet, en reductie van de hoeveelheid benodigde platina, heeft het toepassingsgebied vergroot.