Brandstofcellen

Het onderwerp brandstofcellen klinkt als een van de nieuwste ontwikkelingen van deze tijd. Maar brandstofcellen bestaan al zeer lang. De eerste brandstofcel werd namelijk al in 1839 beschreven door de Engelse advocaat-rechter-fysicus Sir William Robert Grove. Hij beschrijft een experiment, waarbij twee platina strips zijn geplaatst in zwavelzuur; de ene strip is daarbij in contact gebracht met waterstofgas, de andere met zuurstofgas. Hij ontdekte bij toeval dat er dan een stroom loopt tussen beide strips. Na deze ontdekking werd er voortdurend onderzoek naar de brandstofcel gedaan. Dit werd echter geen succes omdat de brandstofcel niet zo veel in zich had als bijvoorbeeld de stoommachine. Ook in de twintigste eeuw gaat het onderzoek naar brandstofcellen voortdurend door. In de ruimtevaart worden ook brandstofcellen gebruikt omdat ze vele voordelen hebben, ze zijn licht (en dat is heel belangrijk in de ruimtevaart en ze leveren als eindproduct water, dit water kan ook weer hergebruikt worden als bijvoorbeeld koeling. Ook toepassingen van brandstofcellen in auto's, vliegtuigen, duikboten en elektriciteitscentrales werden vervolgens onderzocht, maar hoge kosten en technische problemen zorgden ervoor dat het niet werd toegepast. In de jaren tachtig maakte de bezorgdheid over het broeikaseffect de roep om maatregelen steeds sterker, en het antwoord hierop waren de brandstofcellen. Omdat brandstofcellen efficiënt en schoon energie produceren betekende dit een nieuwe stimulans voor de brandstofcelontwikkeling. Brandstofcellen hebben dus vele voordelen, ze zijn schoon efficiënt en ze zorgen ervoor dat er een vertraging en misschien zelfs een stop in het verbruik van fossiele brandstoffen ontstaat. Het onderzoek naar de mogelijkheden van brandstofcellen gaat dus hard door en brandstofcellen worden tegenwoordig ook al in grote gebouwen gebruikt als energie voorziening. Brandstofcellen zijn dus heel belangrijk aan het worden voor onze samenleving, maar wat zijn brandstofcellen nou eigenlijk? Brandstofcellen bestaan uit twee elektroden die onderling verbonden zijn via een elektrolyt en zetten de elektrochemische energie die vrijkomt bij een oxidatiereactie direct om in elektrische energie, brandstofcellen worden ook wel elektrochemische conversiesystemen genoemd. Om de oxidatiereactie te laten verlopen, wordt er aan de ene kant, ook wel de anode, van de brandstofcel steeds een gasvormige brandstof toegevoegd, meestal is dit waterstofgas H2, terwijl aan de andere kant, kathode, steeds een oxidant wordt toegevoegd, vaak is dit zuurstofgas O2. De elektrochemische reactie vindt vervolgens plaats aan de beide elektroden. Aan de gaskant vindt oxidatie van de brandstof plaats, terwijl aan de zuurstofgas kant de oxidant wordt vermindert. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil tussen de elektroden, zodat bij extern doorverbinden van de elektroden energie geleverd kan worden. De kringloop wordt gesloten door transport van ionen via het elektrolyt; positieve ionen van H2-kant naar O2-kant of anders om. Een paar van de ontwikkelde brandstofcellen zijn de volgende: alkalische brandstofcel Alkaline Fuel Cell AFC 100 °C
fosforzure brandstofcel Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC 200 °C

gesmolten carbonaat brandstofcel Molten Carbonate Fuel Cell MCFC 650 °C
vaste oxide brandstofcel Solid Oxide Fuel Cell SOFC 1000 °C
polymeer elektrolyt brandstofcel Polymer Electrolyte Fuel Cell PEFC 80 °C
Een brandstofcel zit op zichzelf vrij in gewikkeld in elkaar. Voor toepassingen worden de brandstofcellen onderling in serie gestapeld tot een brandstofcelsysteem ook wel een stack genaamd, hierin worden de cellen onderling van elkaar gescheiden door een zogenaamde separatorplaat. Deze separatorplaat heeft tevens als functie om de constant toegevoerde brandstof en oxidatie gassen gelijkmatig over alle cellen te verdelen. Om genoeg energie uit een stack te krijgen heeft men heel veel van deze eenheden nodig om die energie te kunnen leveren, daarnaast zijn er ook nog middelen nodig voor de aanvoer van brandstof en oxidant en de afvoer van reactieproducten, water dus. Figuur 3. laat een integraal systeem zien waarbij de brandstof, dit kan aardgas, methanol, kolengas etc. zijn, toegevoerd wordt naar een brandstofreformer. Een brandstofreformer is iets dat het toegevoegde gas in een waterstofrijk gas omzet, dit door middel van stoomreforming of kolenvergassing. Bij brandstofcellen die bij hoge temperatuur werken, zoals de gesmolten carbonaat brandstofcel of de vaste oxide brandstofcel, zou dit proces geïntegreerd kunnen worden in de brandstofcelstack zelf. De brandstofcelstack produceert gelijkstroom uit de elektrochemische omzetting van brandstof en oxidant. De gelijkstroom wordt hierna omgezet in wisselstroom van de juiste spanning en frequentie om te voldoen aan de eisen van de gebruiker. Voor sommige toepassingen, zoals in de produktie van aluminium of in transport, is de verandering naar wisselstroom niet nodig. Verder kan de afvalwarmte van de brandstofcel gebruikt worden om nog meer energie op te wekken door bijvoorbeeld een turbine aan te drijven. Het kan ook worden gebruikt om water of ruimten te verwarmen of voor industriële processen. Het gebruik maken van de afvalwarmte van de brandstofcel wordt ook wel co-generatie genoemd of warmte/krachtkoppeling, dit is dus gewoon het afval gebruiken voor andere dingen. De voordelen en nadelen even op een rijtje. · hoge elektrische efficiëntie · zeer milieuvriendelijk (weinig uitstoot en gebruik van niet fossiele brandstoffen) · geluidsarm · mogelijkheid voor co-generatie, gebruik van afvalwarmte · gemakkelijk te plaatsen
De grootste nadelen ook even op een rijtje: · ze zijn gevoelig voor bepaalde brandstofbestanddelen · de productiekosten voor de meeste brandstofcellen zijn nog steeds te hoog toepassen mogelijk te maken · de levensduur en de betrouwbaarheid zijn nog niet voor alle brandstofcellen aangetoond.