Een brandstofcel maakt elektriciteit met behulp van de energie die vrijkomt door het mengen van brandstof met lucht, een reactie waarbij water en soms ook kooldioxide ontstaat. De meest voorkomende brandstof voor brandstofcellen is waterstof, dat bij reactie met zuurstof uit lucht alleen water produceert. Brandstofcellen werken als een batterij die constant wordt gevoed met brandstof, zodat deze nooit opraakt (zolang je maar genoeg brandstof hebt). Brandstofcellen zijn een belangrijk onderdeel van de waterstofeconomie. Waterstofmoleculen zijn te vinden in stoffen als methaan, water en biomassa, maar in alle gevallen is er wat energie nodig om deze te onttrekken. Er zijn twee gangbare manieren om waterstof te produceren - het kan worden gescheiden van de meeste brandstoffen zoals olie, gas, kolen in een proces dat stoomreforming wordt genoemd, of het kan worden gewonnen uit water met behulp van een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Als de waterstof wordt gescheiden van fossiele brandstoffen, komt er kooldioxide vrij. Als de energie die gebruikt wordt om het via elektrolyse uit water te halen, afkomstig is van de zon of de wind, dan is de geproduceerde waterstof goedaardig omdat er geen emissies vrijkomen. Waterstof kan ook worden gescheiden van hernieuwbaar biogas, wat betekent dat de uitgestoten koolstof niet van fossiele oorsprong is en dus deel uitmaakt van de natuurlijke koolstofcyclus.
Brandstofcel
Hoe energie om te zetten
Water is een molecuul dat bestaat uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Het kost energie om water te scheiden in zuurstof en waterstof, en er komt energie vrij als ze weer in elkaar worden gezet als water. Een brandstofcel brengt waterstof en zuurstof weer bij elkaar, waardoor de energie in de vorm van elektriciteit vrijkomt.
De brandstof (de energiebron, meestal waterstof) en de lucht (die de zuurstof bevat) worden in tegenovergestelde richting van de brandstofcel gebracht. In het midden van de brandstofcel bevindt zich een "scherm", een zogenaamde elektrolyt, dat tussen twee metalen platen wordt geklemd, de zogenaamde elektroden, die de brandstof en de lucht gescheiden houden. Verschillende soorten brandstofcellen krijgen hun naam op basis van het type scherm dat wordt gebruikt om de brandstof en de lucht te scheiden. Het scherm laat alleen specifieke geladen moleculen, ook wel ionen genoemd, door.
Om ionen te creëren, moeten elektronen van de ene kant van het systeem naar de andere worden gedragen. De elektronen worden van de brandstof afgesplitst door de metalen plaat aan de brandstofzijde en moeten naar de luchtzijde reizen om de reactie te voltooien. Omdat het scherm geen elektronen doorlaat, gaan ze door een aparte draad, naar de andere metalen plaat aan de luchtzijde. De verplaatsing van de elektronen zorgt voor elektrische stroom (elektriciteit). De draad is de plek waar elektriciteit kan worden gebruikt. Zo kan de draad doormidden worden geknipt en kan er tussen de twee helften een gloeilamp worden aangesloten.
In de tussentijd gaan de ionen door het scherm en reageren met de moleculen (die al aan de andere kant zitten) en de elektronen (die door de draad reizen en energie afgeven aan de vermogenselektronica) aan de andere kant. Er wordt water gevormd (en, afhankelijk van het type brandstof, af en toe andere producten), dat ze via een uitlaatpijp naar buiten komen.
Efficiëntie
Brandstofcellen maken elektriciteit door zuurstof en waterstof te combineren. Het rendement is zeer goed (ongeveer 40%-70%). Ze hebben een maximaal rendement van 83% als er tijdens de reactie gebruik wordt gemaakt van uitlaatgaswarmte. Ook kunnen brandstofcellen verschillende brandstoffen gebruiken, bijvoorbeeld aardgas, methanol, LPG (vloeibaar petroleumgas), nafta, kerosine, enz.
Kenmerken
Sommige soorten brandstofcellen produceren alleen water, wat betekent dat er geen vervuiling is. De meeste soorten brandstofcellen veroorzaken veel minder uitstoot dan de klassieke ("calorische") stroomopwekking. Ze kunnen dezelfde soorten brandstof verbruiken als klassieke stroomgeneratoren, bijvoorbeeld dieselmotoren, maar ze zijn ongeveer twee keer zo efficiënt, wat betekent dat ze dezelfde hoeveelheid energie kunnen produceren met de helft minder brandstof, en dus minstens de helft minder vervuiling. Bovendien heeft het gebruik van brandstofcellen voor directe conversie minder risico op de productie van secundaire emissies zoals NOx, SOx en deeltjes, die neveneffecten van de verbranding zijn, bijdragen aan de opwarming van de aarde en bekend staan als criteria verontreinigende stoffen.
Brandstofcellen zijn erg stil. Ze hebben geen bewegende delen, behalve sommige ventilatoren om lucht te verplaatsen, en pompen om water te verplaatsen, wat betekent dat ze zeer zelden moeten worden gerepareerd, maar sommige grote brandstofcellen die worden gebruikt voor de aandrijving van dingen zoals gebouwen kunnen vrij kwetsbaar zijn.
Vanwege de zeer lage uitstoot van schadelijke stoffen worden brandstofcellen vaak gebruikt in voertuigen die zich binnen gebouwen verplaatsen, zoals vorkheftrucks. Omdat ze erg stil zijn, worden ze op sommige militaire onderzeeërs gebruikt om detectie te voorkomen. Brandstof wordt efficiënter gebruikt, wat betekent dat brandstofcellen langer kunnen werken zonder nieuwe brandstof te krijgen. Hierdoor kunnen ze worden gebruikt op plaatsen die moeilijk bereikbaar zijn, zoals weer- of onderzoeksstations, ruimteschepen of militaire bases.
Aangezien ruimteschepen worden gelanceerd met raketten die pure waterstof en zuurstof bevatten, wordt de elektriciteit aan boord geproduceerd met behulp van zeer efficiënte brandstofcellen die deze brandstoffen kunnen gebruiken. Bovendien produceren de brandstofcellen op ruimteschepen zuiver water op hun uitlaat, dat verder kan worden opgevangen en gebruikt als drinkwater voor astronauten, wat betekent dat er absoluut niets wordt verspild.
Soorten brandstofcellen
Brandstofcellen kunnen worden ingedeeld naar het type binnenste scherm (elektrolyt). Fosforzuur-brandstofcellen zijn bijvoorbeeld voor lage temperaturen. Het wordt gebruikt in mobiele telefoons en auto voedingen die hoge stromen vereisen omdat het veel veiliger is. Alkali brandstofcellen bevatten meestal kaliumhydroxide (KOH). Methanolbrandstofcellen worden gebruikt door methanol elektrochemisch te laten reageren. Dit type brandstofcel is een betere keuze voor een eenvoudiger systeem. Maar methanolbrandstofcellen hebben een lage outputdichtheid omdat de reactiesnelheid traag is.
Enkele belangrijke soorten brandstofcellen zijn:
- Fosforzuur-brandstofcel (PAFC) - Fosforzuur-brandstofcellen zijn tegenwoordig in de handel verkrijgbaar. Het zijn de meest voorkomende brandstofcellen voor warmtekrachtkoppeling.
- Proton Exchange Membrane fuel cell (PEM) - Deze brandstofcellen werken bij relatief lage temperaturen (ongeveer 175 °F), hebben een hoge vermogensdichtheid, kunnen hun vermogen snel variëren om te voldoen aan verschuivingen in de vraag naar vermogen, en zijn geschikt voor toepassingen, zoals in auto's, waar snel opstarten vereist is. Alle commerciële brandstofcelvoertuigen gebruiken dit type brandstofcel. Het nadeel van deze brandstofcellen is dat ze een hoge zuiverheidsgraad waterstof nodig hebben, wat duur is om te produceren.
- Gesmolten Carbonaat brandstofcel (MCFC) - Deze brandstofcellen werken bij zeer hoge temperaturen waardoor ze complexere brandstoffen, zoals aardgas, kunnen omzetten in waterstofbrandstof die door de cel zelf kan worden gebruikt. Het opstarten en afsluiten van deze cellen neemt enkele uren in beslag, zodat ze alleen worden gebruikt in toepassingen waar ze continu kunnen blijven draaien, zoals stationaire stroomvoorziening voor grote gebouwen/bedrijven.
- Microbiële brandstofcel (MFC) - Een brandstofcel die gebruik maakt van ademende microben om organische substraten om te zetten in elektrische energie, met behulp van oxidatiereductiereacties.
Toepassingen
Er zijn veel toepassingen voor brandstofcellen - grote autofabrikanten werken aan het op de markt brengen van brandstofcelauto's. Toyota en Honda hebben de Mirai en Clarity respectievelijk uitgebracht. Brandstofcellen worden gebruikt voor de aandrijving van bussen, boten, treinen, vliegtuigen, scooters, vorkheftrucks en fietsen. Er zijn brandstofcel-aangedreven automaten, stofzuigers en verkeersborden. Er worden miniatuur brandstofcellen voor mobiele telefoons, laptops en draagbare elektronica voorspeld. Ziekenhuizen, creditcardcentra, politiebureaus en banken gebruiken brandstofcellen om hun faciliteiten van stroom te voorzien. Afvalwaterzuiveringsinstallaties en stortplaatsen gebruiken ze om het methaangas dat ze produceren om te zetten in elektriciteit. Brandstofcellen worden al lang gebruikt in de ruimte. Telecommunicatiebedrijven gebruiken brandstofcellen bij mobiele telefoons, radio en 911-torens.
Vragen en antwoorden
V: Hoe wekt een brandstofcel elektriciteit op?
A: Een brandstofcel wekt elektriciteit op door brandstof met lucht te mengen en een reactie op te wekken waarbij energie vrijkomt en water en soms kooldioxide ontstaat.
V: Wat is de meest gebruikte brandstof in brandstofcellen?
A: De meest gebruikte brandstof in brandstofcellen is waterstof.
V: Waarin verschilt een brandstofcel van een batterij?
A: Een brandstofcel verschilt van een batterij in die zin dat hij constant gevoed wordt met brandstof zodat hij nooit leeg raakt, zolang er genoeg brandstof beschikbaar is.
V: Wat is de waterstofeconomie?
A: De waterstofeconomie verwijst naar het gebruik van waterstof als brandstofbron om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.
V: Hoe wordt waterstof geproduceerd?
A: Waterstof kan geproduceerd worden met behulp van een proces dat stoomreforming heet of uit water gewonnen worden met behulp van een proces dat elektrolyse heet.
V: Wat gebeurt er als waterstof van fossiele brandstoffen wordt gescheiden?
A: Als waterstof van fossiele brandstoffen wordt gescheiden, komt er kooldioxide vrij.
V: Kan waterstof geproduceerd worden op een manier die geen schadelijke uitstoot veroorzaakt?
A: Ja, als de energie die gebruikt wordt om waterstof te produceren afkomstig is van hernieuwbare bronnen zoals zon of wind, is de geproduceerde waterstof goedaardig omdat er geen emissies vrijkomen. Waterstof kan ook gescheiden worden van hernieuwbaar biogas, wat betekent dat de uitgestoten koolstof niet van fossiele oorsprong is en dus deel uitmaakt van de natuurlijke koolstofcyclus.