Brandstofcel

Geschiedenis
De eerste brandstofcel werd reeds ontwikkeld in de 19e eeuw door de Engelsman William Grove. Een schets van deze techniek werd al in 1843 gepubliceerd. Toch duurde het nog tot de jaren zestig van de 20e eeuw voor de brandstoftechnologie kon worden ingezet.
Brandstofcellen werden heel veel gebruik in de Verenigde Staten. Die gebruikten het voor de ruimtevaart. Ze maakten water en elektriciteit uit waterstof. Hierbij werden zeer exotische en dure metalen gebruikt. De brandstofcellen werkten slecht op een zeer zuivere waterstof.
Verdere technologische ontwikkelingen kwamen van 1980. De reductie van de hoeveelheid platina heeft het toepassingsgebied alleen maar meer vergroot.


Batterij
Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie omzetten in elektrische energie. De chemische energie is de totale energie inhoud van een stof. Dat heet een chemische reactie. Een chemische reactie is een proces. In dat proces gaan atomen en /of moleculen chemische bindingen aan, of de andere verbindingen worden verbroken. De chemische binding is de aantrekkende kracht tussen twee scheikundige elementen (atomen). Het verschil met een batterij of accu is dat er steeds opnieuw reagentia van buitenaf kan worden aangevoerd. Reagentia is een chemische stof die wordt gebruikt om het materiaal te onderzoeken en een chemische reactie op te roepen.
Er zijn twee heel erg belangrijke verschillen tussen een brandstofcel en een batterij.
* Brandstofcellen kunnen geen energie opslaan
* Brandstofcellen werken op brandstof. De toegevoerde brandstof wordt op elektrochemische wijze omgezet in elektriciteit en uitlaatgassen. Dit proces is erg schoon, dat wil zeggen dat de algemene brandstoffen schoon zijn. Daarom worden brandstofcellen al zeer lang als een technologisch middel beschouwd. Het is erg veelbelovend en er is ook veel onderzoek aan verricht.

Onderzoek
William Grove wordt beschouwd als de uitvinder van de brandstofcel. William Grove is geboren in Wales. Daar kreeg hij privé onderwijs. Na zijn privé onderwijs ging hij door naar het Brasenose College, in Oxford. En daarna studeerde hij rechten aan Lincoln’s Inn. Hij trad pas tot de orde van advocaten in 1835. Hij was professor natuurkunde op de London Institution. Dit deed hij van 1840 tot 1847. Hij begon zich bezig te houden met octrooi en vergelijkbare rechten. Dus in 1871 ging hij zich weer bezig houden als advocaat en als rechter. Zijn wetenschappelijke studies begon hij weer na zijn pensioen.
Zijn eerste publicatie over brandstofcellen was in 1839. De twee lijnen in het brandstofcelonderzoek ontstonden na zijn eerste publicatie. Die lijnen bestonden met aan de ene kant het probeersel om een brandstofcel, op waterstof en zuurstof werkend, te verbeteren. En aan de andere kant op het oxideren van steenkool in een brandstofcel met toevoeging van lucht. Na de 2de wereldoorlog werd de eerste lijn voortgezet. Dit werd gedaan door Francis Bacon in Engeland. Dit begonnen ze in Engeland omdat het onderzoek daar was begonnen. Later is het onderzoek nog wel de wereld overgegaan en voor verschillende functies gebruikt. Maar het begon in Engeland bij Francis Bacon.

Toepassingen
Brandstofcellen in huis zijn bijvoorbeeld voor je laptop of om je mobiele telefoon op te laden. Dan gebruiken ze kleine energie-opwekkers. Deze kun je ook wel zien als “energiecentrales”, maar dan wel kleine. Andere toepassingen zijn bijvoorbeeld voor auto’s. Dan worden brandstofcellen gebruikt als vervangende brandstof. Dit doen ze ook in bussen, vrachtwagens, schepen en vliegtuigen. Brandstofcellen op grote schaal worden waarschijnlijk ingezet bij energiecentrales. Dan voorzien ze mensen op grote schaal door middel van brandstofcellen.


Chemie
De brandstofcel wordt gevoed door de oxidator. Dat is een constante, gasvormige brandstofstroom. Hetgeen wat meestal het zuurstofgas uit de lucht is, wordt met een constante stroom aan de kathode toegevoegd.
Aan de verschillende elektroden vinden oxidatie- en reductiereacties plaats. Door de scheiding van deze reacties wordt er een negatieve lading opgebouwd in de anode en een positieve lading bij de kathode. Als er een stroomkring wordt aangebracht kan elektrische energie worden onttrokken aan de reacties. Tussen de elektroden bevindt zich een elektrolyt. Dit maakt de overdracht van ladingen tussen beide elektroden mogelijk en zo kan de stroomkring worden gesloten.
Een brandstofcel is een makkelijk proces. Je scheidt water in waterstof en zuurstof. En daarna laat je ze dan weer bij elkaar komen. Bij het samenkomen van waterstof en zuurstof ontstaat zeer veel energie vrij. (Een voorbeeld is het bekende ongeluk met de Zeppelin.) De energie die ontstaat kan weer worden gebruikt worden om een voertuig te laten voortbewegen.
Om water te scheiden laat men een bepaalde hoeveelheid/soort stroom door het water gaan. Dit proces wordt ook wel elektrolyse genoemd. Hierbij ontstaat waterstof en zuurstof. Waterstof wordt aan de anode gesplitst in twee protonen (2 H+) en twee elektronen (2e-).
De brandstofcel werkt als het ware gewoon op water. Hierdoor is een brandstofcel heel erg schoon, schoner kan bijna niet! De brandstofcel heeft wel een klein beetje brandstof nodig, dit is om het proces op gang te houden. Hiervoor wordt Brandalcohol en Methanol gebruikt. Deze stoffen zijn niet schadelijk voor het milieu en worden makkelijk gewonnen.
In de brandstofcel gebeurt dus het volgende chemische proces:
Waterstof + zuurstof , water + energie
2H + O2 , H20 + energie (elektriciteit en warmte)

Voordelen?
Een voordeel van de brandstofcel vergeleken met een batterij is dat de brandstofcel 3x langer meegaat dan een batterij. En brandstofcellen zet intern een energiedrager om naar elektrische energie. Terwijl een batterij energie opslaat. Daarmee heeft de brandstofcel natuurlijk ook een groot voordeel. Maar het begon allemaal met de inzet van brandstofcellen voor de ruimtevaart. Dan voorzagen brandstofcellen ruimteschepen van energie. Omdat de brandstofcel het mogelijk maakt waterstof om te zetten in energie worden brandstofcellen gebruikt in ruimteschepen. Zo kan het ruimteschip tijdens de vlucht zijn eigen brandstof maken, zonder het extra gewicht dat je zou hebben bij andere methodes om energie te verkrijgen. De brandstoffen van deze brandstofcellen zijn methanol en waterstofgas. Methanol en waterstofgas worden zo gebruikt dat ze met zuurstof reageren. Na de reactie komt er energie vrij. Deze energie is elektriciteit.

Goede eigenschappen
Er zijn een aantal goed eigenschappen aan de brandstofcel. Hieronder staan ze allemaal op een rijtje:

* Er wordt veel minder CO2 uitgestoten, dus het is veel minder schadelijk voor het milieu
* Een brandstofcel verbruikt heel weinig energie, het is dus zuiniger.
* Het werkt op biobrandstof en de biobrandstof wordt met behulp van organismen aangemaakt. De biobrandstof is daardoor onuitputtelijk.

Chrysler
Er zijn al veel verschillende bedrijven bezig met de ontwikkeling van de brandstofcel. Een bedrijf dat al heel ver is gevorderd met de ontwikkeling van de brandstofcel is Daimler Chrysler. Rond 1995 jaar geleden kwam de Mercedes – Benz met de Necar 1 uit. Necar staat voor: New Electric Car 1. Deze wagen was een op stroom rijdende bestelbus. Lekker veel ruimte in die bestelbus, dacht men. Maar daar was niets van waar. Alle beschikbare ruimte was nodig voor de motor. In 1996 kwam de Necar 2 al uit. Er waren veel verbeteringen gemaakt, want deze wagen nam de waterstoftanks mee op het dak. Daarna werd Necar 3 ontwikkeld. Deze auto had een motor de methanol omzette in waterstof, maar dat nam zoveel ruimte in dat er geen passagiers meer bij konden. Dus werd er nog verder onderzocht en zo ontstond de Necar 4. Deze auto was geheel hetzelfde alleen rijdt deze geheel op waterstof. Op de plek van de benzine tank kwam de waterstoftank. De lichte apparatuur in een dubbele bodem en de elektromotor kwam op de plaats waar de normale motor zou zitten.
Rond 2002 kwam Daimler Chrysler met de Necar 5. Deze auto heeft zeer hoge productie kosten.