Doelstelling van deze Site

Werking van de brandstofcel

Qua opbouw lijken brandstofcellen een klein beetje op accu’s of batterijen. Beiden leveren elektrische energie via een chemische reactie. Verschil is echter dat een accu slechts een opslagmedium voor elektrische energie is, en dat de brandstofcel elektriciteit produceert.

De brandstofcel werkt op pure waterstof of – door middel van een omvormer- op een element met een hoog waterstofgehalte zoals methanol, en zelfs gewone benzine. Binnenin de brandstofcel wordt de waterstof via een membraan gecombineerd met zuurstof. Aan de ene kant van het membraan vloeit waterstof door de gaskanalen en aan de andere kant zuurstof.

Wanneer de twee gassen met elkaar reageren ontstaan stoom en elektriteit. De elektriciteit kan worden gebruikt voor de voeding van bijvoorbeeld een elektrisch apparaat, een elektromotor (in een voertuig) of van het elektriciteitsnet. De stoom kan eenvoudig in de vorm van water worden afgevoerd.

Voertuigen nemen de waterstof met zich mee in hun tanks, bijvoorbeeld als vloeibare waterstof, of als waterstofgas onder druk. Het restproduct -puur water- kan middels een "uitlaat" aan de achterkant van het voertuig worden afgevoerd, of eventueel worden bewaard voor hergebruik (bijvoorbeeld voor de ruitenwissers).

De brandstofcel heeft in vergelijking tot bestaande energieopwekkers een heel hoger rendement omdat de omzetting van de brandstof (de waterstof) in energie direct plaatsvind, en niet in meerdere fasen, zoals bij de verbrandingsmotor en de stoommachine. Daar wordt eerst warmte opgewekt, vervolgens beweging (in zuigers in cilinders) en daarna eventueel elektriciteit.

Het verschil in rendement is nog groter bij lage en/of sterk wisselende belasting. Automotoren, bijvoorbeeld, werken vrijwel nooit op vol vermogen, en daardoor zeer inefficient.

© www.Brandstofcel.com

Werking 2

De werking van een brandstofcel is eenvoudig. In plaats van warmte, die via een generator wordt omgezet in elektriciteit, wordt in de brandstofcel direct elektriciteit geproduceerd. Tussen twee elektroden bevindt zich een geleidend elektrolyt (zie onderstaande figuur). Waterstof wordt langs de (negatieve) anode geleid, zuurstof langs de (positieve) kathode. Aan de anode treedt een chemische reactie op, waarbij elektronen en ionen geproduceerd worden. Deze elektronen worden buitenom naar de kathode geleid en vormen een elektrische stroom die nuttig gebruikt kan worden. De ionen bewegen door de elektrolyt eveneens naar de kathode, waar samen met de elektronen en zuurstof water wordt gevormd. De brandstofcel converteert dus chemische in elektrische energie en daarbij wordt tevens warmte geproduceerd.

Het grote verschil met andere vormen van energieopwekking bestaat hieruit dat een brandstofcel geen gebruik maakt van verbranding noch van een stoom-watercyclus (zoals gebruikelijk is bij elektriciteitsopwekking) of een gasturbine. Het rendement van zo’n stoom-watercyclus wordt gelimiteerd door het zogenaamde Carnot-rendement. Dit is bij een brandstofcel dus niet het geval, waardoor hogere rendementen gemakkelijk gehaald kunnen worden.

Werkingsprincipe van een brandstofcel: waterstof wordt tot H ₂O omgezet, waarbij een spanningsverschil optreedt tussen anode en kathode

Omgekeerde elektrolyse

In feite vindt in een brandstofcel dus omgekeerde elektrolyse plaats: waterstof en zuurstof (meestal uit de lucht) worden direct omgezet in warmte, elektriciteit en water. Dit gebeurt in principe stil, schoon, emissieloos en geluidloos. Een brandstofcel levert in de praktijk een spanning van circa 0,6‑0,8 V. In feite kan een brandstofcel gezien worden als een batterij die constant elektriciteit levert zolang waterstof wordt toegevoerd. Het rendement van de omzetting is circa 65%.

Typen brandstofcellen

Op dit moment worden vijf typen brandstofcellen onderscheiden al naar gelang het type elektrolyt en de temperatuur waarop de cel werkt:

de alkalische brandstofcel (AFC: alkaline fuel cell)
de fosforzure brandstofcel (PAFC: phosphoric acid fuel cell)
de gesmolten-carbonaat brandstofcel (MCFC: molten carbonate fuel cell)
de vast-oxide brandstofcel (SOFC: solid oxide fuel cell)
de polymere brandstofcel (SPFC: solid polymer fuel cell of PEMFC: proton exchange membrane fuel cell)

Voor- en nadelen

Elk van deze typen brandstofcellen heeft specifieke voor- en nadelen.

Type	Anode	elektrolyt	kathode	voordelen
AFC	Nikkel met zilver katalysator	kaliumhydroxide oplossing	nikkel met zilver katalysator	eenvoudig, nadeel is CO₂ intolerant
PAFC	Koolstof met platina katalysator	fosforzuur, vastgehouden in een poreuze matrix	koolstof met platina katalysator	commercieel verkrijgbaar maar rendement niet geweldig, levensduur nog niet hoog en te duur
MCFC	nikkel/chroom	een mengsel van gesmolten carbonaatzouten vastge-houden in een poreuze matrix	nikkeloxide/ lithiumoxide	lage prijsvooruitzichten echter duur, hoge-temperatuur restwarmte
SOFC	nikkel op een keramische drager (zirconium-oxide)	keramisch materiaal (yttrium gestabiliseerd zirconiumoxide)	keramisch materiaal (lanthaan strontium manganaat)	productieproces duur, hoge levensduurverwachting, combinatie met gasturbine leidt tot 70% rendement
SPFC	koolstof met platina katalysator	protonengeleidend kunststof membraan	koolstof met platina katalysator	eenvoud voor waterstofsystemen, nog duur

Serieschakeling

De spanning van een enkele brandstofcel is veel te laag om praktisch bruikbaar te zijn. Daarom worden cellen in serie geschakeld, zoals ook bij batterijen gebruikelijk is. In de praktijk worden de meeste brandstofcellen geproduceerd in de vorm van een vlakke-plaat en gestapeld tot een brandstofcelstapeling of “stack” (zie onderstaande figuur). Een dergelijke stack heeft een vermogen van 3 tot 250 kW, afhankelijk van het aantal cellen (bepalend voor de stackspanning) en het werkzaam oppervlak van de stack (bepalend voor de stackstroom).