Brandstofcel

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie. Het verschil met een batterij of accu is dat er 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 brandstofcel wordt de anode gevoed met een constante, gasvormige brandstofstroom, terwijl de oxidator (meestal zuurstof uit de lucht) met een constante gasvormige stroom aan de kathode toegevoerd wordt. De oxidatie- en reductiereacties vinden plaats aan verschillende elektroden. Door de scheiding van deze reacties wordt er een negatieve lading 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 dat de overdracht van ladingen tussen beide elektroden mogelijk maakt en zo de stroomkring sluit.

Een enkele brandstofcel heeft een uitgangsspanning van ongeveer 0,7 volt. Om een hogere spanning te krijgen worden meerdere brandstofcellen in serie geplaatst. Dit wordt dan een "stack" genoemd.

[bewerk] Soorten brandstofcellen

Toyota FCHV PEM FC brandstofcel auto

Brandstofcellen worden vaak genoemd naar de aard van het gebruikte elektrolyt en zijn onder te verdelen in twee groepen:

Hoge-temperatuurbrandstofcellen:

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforzure brandstofcel)
PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell (gesmolten-carbonaatbrandstofcel)
SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (vaste-oxidebrandstofcel)
Water fuel cell: motor die zou werken met water als brandstof - nooit met succes (na)gemaakt.

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-polymeerbrandstofcel)

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-	O^2-
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

In de hoge-temperatuurcellen (MCFC en SOFC) is de verlenging van de levensduur van de celstapelingen tot minstens 90 000 uur (circa 10 jaar) één van de grootste technische uitdagingen.

[bewerk] Voortgang

Op dit moment is het 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. Anno 2006 zijn de kosten vooral afhankelijk van de afstand waarover waterstof moet worden aangevoerd. In de regio's Rotterdam en Delfzijl ontstaat waterstof als bijproduct in de procesindustrie. Mede gefinancierd door SenterNovem (uitvoeringsorganisatie van het ministerie van Economische Zaken op het gebied van duurzaamheid en innovatie) heeft de Nederlandse brandstofcelproducent Nedstack samen met AKZO Nobel Chemicals in 2006/2007 in Delfzijl een proef-elektriciteitscentrale gebouwd met een elektrisch vermogen van in eerste instantie 100 kW, met als uiteindelijk doel een PEM-powerplant van 5 MW, waar de brandstofcellen in een duurproef worden getest. Het waterstof dat als brandstof dient komt vrij als bijproduct van de elektrolytische bereiding van chloor en de brandstofcellen leveren een deel van de hiervoor benodigde elektriciteit.

Afhankelijk van de brandstof hebben veel brandstofcellen schone afvalproducten, bijvoorbeeld puur water, die het milieu niet belasten. Dit voordeel wordt veelal echter tenietgedaan 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 een 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 bijvoorbeeld toepassing bij Micro-WKK en in auto's, het probleem ligt nu 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 brandstofcelsystemen kunnen concurreren met de hedendaagse verbrandingsmotor, qua prijs en vermogen. De levensduur moet dan nog bewezen worden. De autofabrikant Toyota heeft al een productiemodel met brandstofcel aangekondigd voor 2010.

[bewerk] Rendement

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

**Vergelijking tussen processen**
Brandstofcel:	Chemische energie			→	Elektrische energie (Arbeid)
Carnotproces:	Chemische energie	→	Warmte	→	Elektrische energie (Arbeid)

Bij de laatste stap treden als gevolg van de tweede hoofdwet van de thermodynamica noodzakelijkerwijs grote verliezen op, doordat 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 jaren zestig van de 20e eeuw voor de brandstofceltechnologie kon worden ingezet.

Brandstofcellen 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 werkten uitsluitend op zeer zuivere waterstof.

Verdere technologische ontwikkeling vanaf 1980, zoals het gebruik van Nafion® als elektrolyt, en reductie van de hoeveelheid benodigde platina, heeft het toepassingsgebied vergroot.