Brandstofcellen

Voorwoord

Voor u ligt onze praktische opdracht ANW. In dit werkstuk proberen wij zo goed mogelijk het begrip brandstofcel te beschrijven. Een voor ons totaal onbekend onderwerp, dus een interessante uitdaging.

Bij deze willen wij u veel plezier wensen met het lezen.

Inleiding

In dit werkstuk zullen in 2 hoofdstukken een aantal punten behandeld worden die allemaal iets zeggen over de term: Brandstofcel.

In hoofdstuk 1 zullen we vertellen wat een brandstofcel is, en hoe hij werkt.

In hoofdstuk 2 zullen we vertellen over de verschillende brandstofceltypes en hun werkingstemperaturen.

Hoofdstuk 1
De Brandstofcel

§1: Wat is een brandstofcel ?

Een brandstofcel is een toestel dat op elektrochemische wijze de chemische
energie van een brandstof door verbranding rechtstreeks omzet naar
elektriciteit. De celreactie is exotherm, er komt bij de werking van de
brandstofcel naast elektriciteit dus ook warmte vrij. Bij de elektrochemische reactie wordt elektrisch vermogen geproduceerd.

De werking van een brandstofcel is totaal anders als de klassieke elektriciteitsopwekking in een thermische centrale, dit wordt schematisch weergegeven in het plaatje hiernaast.

In een thermische centrale wordt de warmte, die vrijkomt bij de verbranding omgezet in mechanisch vermogen van de turbines. Een krachtige dynamo zet het mechanisch vermogen om in elektrisch vermogen.

Een andere mogelijkheid is om waterstof te halen uit natuurlijke vloeistoffen zoals methanol of aardgas. Dit kan met een zogenaamde brandstofprocessor. Het voordeel van een brandstofprocessor is dat je geen grote zware tanks nodig hebt om de zeer explosieve waterstof in te bewaren. Een nadeel hiervan is dat er wel een geringe hoeveelheid koolstofdioxide ontstaat, wat zorgt voor het broeikaseffect. Er zijn nogal wat verschillende soorten brandstofcellen, zoals brandstofcellen voor elektriciteitscentrales, die zijn te groot, en veel te heet (maximaal 1000 ºC!) om in een auto in te bouwen. Een techniek die veelbelovend is de 'Proton Exchange Membrane Fuel Cell' (PEMFC).

§2: Hoe werkt een P.E.M. brandstofcel?

Deze brandstof cel bestaat uit verschillende onderdelen, namelijk

De anode, de negatieve kant van de brandstofcel, zorgt ervoor dat de vrijgekomen elektronen uit de waterstof in een extern circuit komen en zorgt ook dat de waterstof zich gelijkmatig verdeeld over de katalysator, een extra toegevoegde stof die ervoor zorgt dat de reactie sneller gaat, door middel van kanaaltjes. De kathode, de positieve kant van de brandstofcel, zorgt ervoor dat de zuurstof zich gelijkmatig verspreid over de katalysator, ook door middel van kanaaltjes. Hier komen ook de vrijgekomen elektronen weer terug om samen met het waterstof en zuurstof water te vormen in de katalysator.
Daar tussenin zit de 'Proton Exchange Membrane', die elektronen niet doorlaat en alleen positief geladen protonen geleid.

Wanneer een H2 molecuul door de Anodezijde gaat, wordt het door de druk geperst door de katalysator, waarbij het molecuul gesplitst wordt in 2 H+ ionen en 2 e- elektronen. De elektronen gaan door het externe circuit en leveren elektriciteit en komen uiteindelijk weer terug in de Kathodezijde.
Ondertussen wordt in de Kathodezijde de zuurstofmoleculen O2 gedrukt door de katalysator. Hierdoor splitst het molecuul zich in twee negatieve zuurstofionen.
Deze trekken de positieve waterstofionen aan en vormen zo samen een watermolecuul.

Dit zijn de reactievergelijkingen;

Aan de Anodezijde:
2H2 => 4H+ + 4e-

Aan de Kathodezijde:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
De uiteindelijke reactie:
2H2 + O2 => 2H2O

Hierbij ontstaat echter heel weinig stroom, namelijk niet meer dan 0,7 Volt.
Om een redelijk vermogen te krijgen worden vele brandstofcellen aan elkaar gekoppeld.
Dit alles gebeurt op relatief lage temperaturen, namelijk rond de 80 ºC.
Hierbij ontstaan geen afvalstoffen, dus deze methode is ideaal voor het milieu.

Hoofdstuk 2
Brandstofceltypes

Het algemeen werkingsprincipe van brandstofcellen werd beschreven in

Hoofdstuk 1. Het gebruik van verschillende elektrolyten voor de praktische
verwezenlijking van het werkingsprincipe zorgt voor duidelijke verschillen in de
werking van de verschillende brandstofceltypes. Het plaatje hieronder geeft een overzicht.

De alkalische brandstofcel (AFC) heeft vloeibaar kaliumhydroxide als elektrolyt
en werkt bij een temperatuur van 60 tot 90°C.
De brandstofcel met protonuitwisselingsmembraan (PEMFC) maakt gebruik van
een vast polymeer als elektrolyt en werkt bij 50 tot 80°C. De PEMFC wordt soms
ook aangeduid met de afkorting PEFC (polymer electrolyte fuel cell) of SPFC
(solid polymer fuel cell).
De direct methanol brandstofcel (DMFC) gebruikt dezelfde vaste elektrolyt als de
PEMFC, maar gebruikt methanol als brandstof in plaats van waterstof. De
werkingstemperatuur bedraagt 80 tot 130°C.
De AFC, PEMFC en DMFC beschouwen we verder als de lage-temperatuurbrandstofcellen
De fosforzuur brandstofcel (PAFC) gebruikt geconcentreerd fosforzuur als
elektrolyt en werkt bij temperaturen van 160 tot 220°C.

De carbonaatbrandstofcel (MCFC), die werkt bij temperaturen van 620 tot 660°C,
maakt gebruik van een mengsel van gesmolten lithium- en kaliumcarbonaten als
elektrolyt.
De vaste oxide brandstofcel (SOFC) heeft een werkingstemperatuur van 800 tot
1000°C en gebruikt een vaste, keramische elektrolyt, bijvoorbeeld zirconiumoxide, gestabiliseerd met yttriumoxide.
De MCFC en SOFC noemen we hoge-temperatuur-brandstofcellen.

Nawoord

Als u dit leest bent u inmiddels aan het einde gekomen van dit werkstuk. Wij hebben met veel plezier dit werkstuk in elkaar gezet, wij hopen dan ook dat u net zo veel plezier heeft beleeft met het lezen ervan.
Er waren relatief weinig bronnen te vinden over dit onderwerp, toch vinden wij het eindresultaat erg geslaagd.

Bronvermelding

Boek ISBN

Brandstofcellen, Commissie Ampère – Groep F N.V.T

Bibliotheek: Krantenbank


Internetsite’s:

http://www.google.nl
http://www.altavista.nl
http://www.onderwijs.tbm.tudelft.nl
http://www.ilse.nl
http://www.utwente.nl/utnieuws/data/33/37/SCHAEFFE.html
http://users.pandora.be/wouter.termote/Energie/Brandstofcell/brandstofcellen.htm