Wat is een brandstofcel?

De brandstofcel is een serieus alternatief voor de bestaande verbrandingsmotoren, die gebruikt worden in auto's en elektriciteitsgeneratoren. Voor uiteenlopende brandstoffen zijn er brandstofcellen ontwikkeld, maar veel aandacht gaat uit naar de brandstofcellen voor waterstof. Het eindproduct van deze brandstofcellen is namelijk puur water.

Werking

Brandstofcellen zijn apparaten om brandstof om te zetten in elektrische energie, zonder eerst warmte te produceren. Bij andere vormen van elektriciteitsopwekking wordt de brandstof eerst omgezet in warmte, voordat de omzetting naar elektriciteit plaatsvindt. De eliminatie van deze extra stap heeft tot gevolg dat een brandstofcel uitermate efficiënt omgaat met de toegevoerde brandstof. Brandstofcellen kunnen gebruikt worden voor uiteenlopende brandstoffen. Tijdens de energietransitie naar een duurzamere energievoorziening, wordt gebruik gemaakt van een groot aantal energiedragers zoals waterstof. Waterstof als voeding voor de brandstofcel geeft geen schadelijke uitstoot, maar uitsluitend water. Op papier is dit de schoonste energiedrager, praktische problemen buiten beschouwing gelaten.

Proces

Een brandstofcel is een elektrochemische cel en veel personen vergelijken de werking met accu’s en batterijen, echter bij een brandstofcel worden de reactanten (=brandstof en zuurstof) continue toegevoerd. Door de continue toevoer van reactanten kan de brandstofcel continue stroom toevoeren.

Bij het proces in de brandstofcel kunnen de reactanten niet rechtstreeks hun elektronen uitwisselen. Het proces kan voorgesteld worden door ervan uit te gaan dat bijvoorbeeld waterstof eerst wordt omgezet in geladen deeltjes (ionen). De ionen kunnen via het elektrolyt heen de oxidator (zuurstof) bereiken. Omdat de elektronen niet via het elektrolyt kunnen deelnemen aan de chemische reactie moeten deze via een omweg naar de reactie toe zodat het geheel elektrisch neutraal blijft.

Soorten brandstofcellen

De toepassing van verschillende soorten elektrolyt heeft geleid tot verschillende soorten brandstofcellen. De benaming van brandstofcellen verwijst dan ook veelal naar het gebruikte elektrolyt.

De polymere brandstofcel is een proton (zie ook waterstof) geleidend vast polymeer. Deze brandstofcellen werken bij een temperatuur van 65 tot 80°C, maar kunnen tevens op kamertemperatuur een redelijk vermogen afgeven. De polymere brandstofcellen horen samen met de alkalische brandstofcellen tot de groep lage temperatuursbrandstofcellen. Deze groep van brandstofcellen leent zich goed voor toepassing in voertuigen en kleinschalige elektriciteitsproductie.

Fosforzure brandstofcellen werken bij een temperatuur van ongeveer 200°C en kennen ook warmte/kracht koppelingen.

Toepassingen

De brandstofcel kan vergeleken worden met een minuscule elektriciteitscentrale. Brandstof wordt omgezet in elektriciteit. Overal waar elektriciteit op kleine schaal nodig is, kan de brandstofcel ingezet worden. Uiteraard kan een brandstofcel ook gebruikt worden in combinatie me een energiedrager (een energiebron, die door de mens gemaakt is met behulp van energie)

Aggregaten

Veel noodstroomvoorzieningen en tijdelijke stroomvoorzieningen maken gebruik van aggregaten. De inzet van aggregaten heeft de nodige nadelen zoals:

• inefficiënt
• geluidsoverlast
• vervuilend (roetvorming/morsen van brandstof

De brandstofcel daarentegen is stil, compact en uiterst efficiënt.

Elektrische auto's

In de strijd om een duurzamer voertuig ontwerpen veel autofabrikanten elektrische auto's en/of hybride auto's. De achilleshiel van de elektrische auto is de accu van de auto. De accu's zijn groot en zwaar, terwijl de opslagcapaciteit beperkt is. Opnieuw laden van de auto vergt meer tijd, dan het reguliere tanken. De beperkingen leiden ertoe dat elektrische auto's met name gebruikt worden voor korte ritten of dat er alsnog een motor gebruikt wordt om elektriciteit op te wekken.

Brandstofcellen ondervangen de beperkte mogelijkheden van de accu. De brandstofcel kan waterstof of een conventionele brandstof efficiënt omzetten in elektriciteit. De brandstofcel kent een rendement van meer dan 90%. Een accu zal vervolgens dienen om remenergie terug te winnen en is dus niet langer een primaire energiebron voor het voertuig. Daarom zal de accu veel kleiner zijn.

Waterstofauto

Het gebruik van waterstof voor de brandstofcel is de heilige graal van onderzoekers. De brandstofcellen werken al op waterstof, maar de opslag van waterstof is veruit de grootste uitdaging. Om voldoende waterstof op te slaan zijn grote tanks nodig, of waterstof moet vloeibaar gemaakt worden. Waterstof is pas bij hoge druk en extreem lage temperatuur vloeibaar te krijgen, waardoor dit eigenlijk geen optie is voor de toepassing in auto's.

De techniek staat niet stil en er wordt gewerkt aan oplossing om het gas waterstof toch zo compact mogelijk op te slaan. Anno 2014 is de verwachting dat voor het einde van het decennium, de eerste waterstofauto's in serieproductie gemaakt worden.

Toekomst

Anno 2014 zijn er al werkende brandstofcellen te koop. De praktisch toepassing is nog beperkt, omdat conventionele elektriciteitsopwekking nog te goedkoop is. De omschakeling naar waterstof zal nog enige tijd duren, doordat waterstof moeilijk op te slaan is. In IJsland rijden auto's al op waterstof en de komende jaren zal dit ook elders in de wereld gebeuren. Als de technologie voor waterstofopslag doorontwikkeld is, zullen waterstofauto's gemeengoed worden. Dat zal het begin markeren van de waterstofeconomie.