Brandstofcel

Inleiding: Al jaren maakt men zich zorgen over de uitputting van de heden ten dage gebruikte brandstoffen. Vooral de fossiele brandstoffen raken op. Het beste voorbeeld hiervan is aardolie. Men voorziet dat, als er in dit tempo wordt doorgegaan met het winnen van aardolie, de voorraad over enkele tientallen jaren op is. Daarentegen is er nog een voorraad aardgas en steenkool voor ongeveer honderd jaar. Het probleem hierbij is dat aardolie de meest gebruikte fossiele brandstof is en dat, als deze voorraad op is, er gezocht zal moeten worden naar een vervanger. Aardgas kan hier uitkomst bieden maar als alle grondstoffen die nu uit olie komen straks uit aardgas moeten gaan komen dan zullen de hoeveelheden aardgas sterk afnemen, en uiteindelijk ook snel op raken. Overstappen naar steenkool is veel moeilijker omdat er bij het verwerken van steenkool giftige en milieuvervuilende gassen vrij komen. Om te komen tot een zogenaamde duurzame energiehuishouding is één van de ideeën de volgende: het door middel van zonne-energie produceren van waterstof uit water (elektrolyse). De waterstof wordt vervolgens in een brandstofcel omgezet in elektrische energie. In dit artikel wil ik verder ingaan op de werking en de mogelijkheden van de brandstofcel. De werking van de brandstofcel Een brandstofcel is een soort batterij. Het verschil is echter dat in de brandstofcel de brandstof en de zuurstof continu aan de cel worden toegevoerd. In de brandstofcel wordt de chemische energie, die vrijkomt bij de oxidatie van de brandstof, direct elektrochemisch omgezet in elektrische energie. Om dit te bereiken worden waterstofhoudende brandstoffen gebruikt. De elektrochemische reacties vinden plaats aan een anode en een kathode, dit zijn elektrisch geleidende platen die gescheiden worden door een zogenaamde elektrolyt. Er zijn verschillende soorten brandstofcellen, het verschil tussen de brandstofcellen ligt in het gebruikt van een ander soort elektrolyt. Hier kom ik later op terug. De basiswerking van de brandstofcel komt op het volgende neer (zie ook de figuur hieronder): de brandstof, in de vorm van gasvormig waterstof, wordt langs de negatief geladen anode geleid. Hierbij splitst het H2 molecuul in 2 H+ ionen en 2 elektronen. De H+ ionen gaan door het elektrolyt naar de positief geladen kathode. De elektronen gaan via een extern circuit waardoor vermogen wordt geleverd ook naar de kathode. De spanning van 1 brandstofcel is 0.5 tot 1 volt. Aan de kathode, waar zuurstof door middel van lucht wordt aangevoerd, vindt de volgende reactie plaats: 2 H+ + 0,5 O2 + 2 e- à H2O

Door verschillende van de cellen in serie te schakelen in zogenaamde stacks word een hogere spanning bereikt. De stacks worden tegenwoordig gebouwd in een zodanige grootte dat er een vermogen van 1 MW elektriciteit kan worden opgewekt. De opgewekte elektriciteit is altijd gelijkstroom, net als een batterij en kan dus, waar nu batterijen worden gebruikt, worden ingezet. Bij grootschalige toepassingen (als vervanging van de huidige elektriciteitscentrales) moet de gelijkstroom worden omgezet in de wisselstroom, hiervoor bestaan reeds DC/AC convertoren. Omdat de reacties elektrochemisch plaats vinden, worden er bij de omzettingen geen stikstofoxiden gevormd. Dit gebeurt wel bij de huidige elektrische centrales waar gas bij hoge temperatuur wordt verbrand. Aangezien stikstofoxides milieuvervuilend zijn, is de brandstofcel een milieuvriendelijke energiebron. Tevens is gebleken dat het effectieve vermogen van een brandstofcel hoger is dan bij de huidige energieomzettingen van elektriciteitscentrales. Bronnen: · Energie verslag Nederland 1998, ECN Petten · Verkenning van de rol van brandstofcelsystemen bij de reductie van NOX-emissies in Nederland, ECN Petten · http://library.thinkquest.org/C0110881/application_nl.html?tqskip1=1&tqtime=0411 · P.E. Lugten, mondelinge mededeling Soorten brandstofcellen Er zijn diverse soorten brandstofcellen ontwikkeld. In het algemeen onderscheiden de typen zich in het gebruikte type elektrolyt. Het elektrolyt is de stof die zit tussen de anode en de kathode. De volgende vier typen brandstofcellen zijn het meest bekend: · De polymere cel (SPFC) · De fosforzure cel (PAFC) · De gesmolten carbonaat cel (MCFC) · De vastoxide cel (SOFC) De polymere cel (SPFC) heeft een bedrijfstemperatuur van 80 tot 100 graden Celsius, het elektrolyt is een polymeer dat protonen geleid van de anode naar de kathode. Door de lage bedrijfstemperatuur moet een platina katalysator worden gebruikt. De fosforzure cel (PAFC) werkt bij een temperatuur van 180-200 graden Celsius. Het elektrolyt bestaat uit fosforzuur van protonen geleid van de anode naar de kathode. Dit type cel wordt al veelvuldig gebruikt, speciaal ook in militaire toepassingen. De gesmolten carbonaat cel (MCFC) gebruikt carbonaten van kalium en natrium als elektrolyt. Dit zorgt voor het transport van carbonaationen waar door het kathodegas CO2 moet bevatten. Dit CO2 wordt geproduceerd aan de anode en vervolgens teruggevoerd aan de kathode. De bedrijfstemperatuur is 650 graden Celsius. In de SOFC cel wordt vast oxide dat zuurstof ionen geleid van de anode naar de kathode als elektrolyt gebruikt. De bedrijfstemperatuur bedraagt 850-1000 graden Celsius. Wegens de hoge temperatuur worden voor elektrolyt en de beide elektroden keramische materialen gebruikt, deze kunnen de hoge temperatuur verdragen. In de afgelopen jaren is in de elektriciteitscentrale een proef uitgevoerd met dit type brandstofcel om elektriciteit op te wekken. De cel werd geleverd door het Amerikaanse bedrijf Westinghouse en had een vermogen van 100 kW. Deze cel was zodanig ontworpen dat als brandstof aardgas kon worden gebruikt, wat in de cel zelf door toevoeging van stoom werd omgezet in waterstof. Deze methode kan ook worden toegepast bij de gesmolten carbonaatcel omdat beide types werken bij hoge temperatuur waardoor de volgende reacties optreden: CH4 + H2O à CO + 3 H2
En vervolgens reageert de koolstofmono-oxide door met water als volgt: CO + H2O à CO2 + H2 (de watergas shift reactie) Bronnen: · Energie verslag Nederland 1998, ECN Petten · Verkenning van de rol van brandstofcelsystemen bij de reductie van NOX-emissies in Nederland, ECN Petten · P.E. Lugten, mondelinge mededeling Toepassing van brandstofcellen De eerste brandstofcellen zijn toegepast in het Amerikaanse ruimtevaartprogramma. De energievoorziening in de Gemini- en Apollocapsules vond plaats door middel van brandstofcellen. Deze waren echter zeer kostbaar en daarom alleen in deze toepassing economisch verantwoord. De laatste twintig jaar is er veel research gepleegd aan brandstofcellen. Het resultaat hiervan is dat de brandstofcellen veel goedkoper zijn geworden door de toepassing van minder kostbare materialen. Op dit moment denkt men brandstofcellen te gaan toepassen op de volgende gebieden: · Decentrale elektriciteitproductie dit houdt in dat je hele kleine apparaten van elektriciteit voorziet, zoals laptops, telefoons of PDA’s als in het artikel beschreven. · Op grotere schaal kan men denken aan elektriciteitsvoorziening bij bijvoorbeeld hotels en ziekenhuizen. · Voor het maken van milieuvriendelijke auto’s worden het type SPFC brandstofcel toegepast. De opgewekte elektriciteit in de brandstofcel word in een elektromotor omgezet in mechanische energie. Enkele demonstratie auto’s rijden reeds als test rond. Het probleem is dat deze auto’s duurder zijn dan vergelijkbare auto’s met een benzinemotor. De brandstof voor toekomstig grootschalig gebruik van brandstofcellen in auto’s zal waarschijnlijk bestaan uit methanol (CH3OH), deze methanol wordt in een zogenaamde reformer met behulp van stoom omgezet in waterstof en CO2. Methanol wordt gebruikt in plaats van waterstof omdat het bij kamertemperatuur vloeibaar is en makkelijk kan worden omgezet in waterstof behulp van een reformer. Waterstof heeft het nadeel dat het gasvormig is bij kamertemperatuur, moeilijk is op te slaan en gevaarlijk is door explosie-eigenschappen. Bronnen: · Energie verslag Nederland 1998, ECN Petten · Verkenning van de rol van brandstofcelsystemen bij de reductie van NOX-emissies en Nederland, ECN Petten · http://www.daimlerchrysler.com/index_e.htm?/specials/necar/startseite_e.htm ·
http://library.thinkquest.org/C0110881/application_nl.html?tqskip1=1&tqtime=0411 · P.E. Lugten, mondelinge mededeling Conclusie Brandstofcellen hebben een hoog energierendement en zijn milieuvriendelijk. Hierdoor word zij gezien als de energiebron voor de nabije toekomst. Tevens kunnen brandstofcellen gebruikt worden om duurzame energie op te wekken door waterstof te produceren door middel van zonne-energie. Dit is technisch mogelijk maar op dit moment veel duurder dan de bestaande elektriciteitsopwekkings technieken. Voordat de fossiele brandstoffen aardolie en aardgas uitgeput zijn, zal deze techniek verder ontwikkeld moeten zijn om goedkoop energie te kunnen opwekken.