Uit WikiMobi
Boeing Fuel Cell Demon...
2.220.804 bytes
Picture fuel cell.HIT.jpg
4.393.879 bytes
Solid oxide fuel cell.jpg
115.446 bytes
Een brandstofcel is een apparaat dat een brandstof door een chemische reactie omzet in elektrische energie. Waterstof (H2) is de meest gebruikte brandstof, die in de brandstofcel reageert met zuurstof (O2) tot water (H2O). Bij dit proces komt elektriciteit vrij. Ook methaan wordt gebruikt als voeding.
Een brandstofcel is te kenmerken als een gasgevoede batterij. Net als een batterij produceert een brandstofcel met behulp van een chemische reactie elektriciteit. In tegenstelling tot bij een batterij is dit, zolang er brandstof wordt toegevoerd, een continu proces.
Inhoud |
Definitie
Een brandstofcel is een apparaat waar een brandstof (bijvoorbeeld waterstof of methanol) door middel van een chemische reactie met zuurstof wordt omgezet naar elektriciteit en water.
Historie
Sir William Grove (1811–1896) was een Britse advocaat en rechter, die een grote bijdrage heeft geleverd aan de ontwikkeling van de elektrochemie. In 1893 was hij bezig met elektrolyse van water (eigenlijk verdund zwavelzuur) met platina elektroden. Hij ontdekte dat er een stroom in tegengestelde richting ging lopen zodra hij de elektroden loskoppelde van de stroombron en daarna zonder stroombron weer aan elkaar koppelde. Het bleek dat er waterstof en zuurstof op de platina elektroden bleven zitten. Hierdoor kon de kathode van de elektrolyser met waterstof als negatieve pool van de elektrochemische cel fungeren en de anode met zuurstof als positieve pool. De energie die de ‘gas battery’ van Grove leverde was heel weinig. Drie jaar later maakte hij een ‘gas chain’ waarin hij een aantal cellen in serie zette. Bron: Geschiedenis van de brandstofcel
Technologie
Qua opbouw lijken brandstofcellen enigszins op accu’s of batterijen. Beide leveren elektrische energie via een chemische reactie. Het verschil is echter dat een accu slechts een opslagmedium voor elektrische energie is, en de brandstofcel elektriciteit produceert.
Een brandstofcel bestaat uit een anode, een elektrolyt en een kathode, tezamen genoemd een MEA (membrane electrode assembly). De dikte van de MEA’s zijn in de ordegrootte van tiende millimeters. Om het waterstof en zuurstof goed naar de elektrodes te kunnen leiden worden er plaatjes met gaskanalen aan weerszijden toegevoegd. Door diverse, individuele brandstofcellen in serie te plaatsen, ontstaat een zogenaamde ‘stack’. Het vermogen van de stack is onder andere afhankelijk van het aantal en de afmetingen van brandstofcellen.
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 gesplitst in 2 protonen en 2 elektronen. De elektronen gaan via een extern circuit naar de kathode. Daarna worden de protonen, elektronen en zuurstof bij de kathode weer gecombineerd tot water. Aan de ene kant van het membraan vloeit waterstof door de gaskanalen van de cel en aan de andere kant zuurstof.
Meer informatie over: Werking van de brandstofcel
The media player is loading...
Varianten met voor en nadelen
Er zijn meerdere soorten brandstofcellen. De naam verwijst bijna altijd naar het gebruikte type elektrolyt. De verschillende typen kunnen onderscheiden worden op basis van temperatuur:
- Hoge temperatuur-brandstofcellen (ca. 600-800°C) worden vooral voor stationaire toepassingen gebruikt (e.g. gebouwen). Voorbeelden van hoge temperatuur-brandstofcellen zijn: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) en Solid Oxygen Fuel Cell (SOFC).
- Lage temperatuur (80-200°) brandstofcellen: deze omvatten onder andere proton exchange membrane (PEM) brandstofcellen en direct methanol brandstofcellen. Vanwege de dynamische eigenschappen, perspectieven om kosten te reduceren en de lage werktemperatuur kijkt de auto-industrie met name naar PEM brandstofcellen voor gebruik in voertuigen. Voorbeelden van lage temperatuur-brandstofcellen zijn: Alkaline Fuel Cell (AFC), Proton Exchange Membrane (PEMFC), Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) en Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC).
In de bovenstaande tabel staan een aantal typen brandstofcellen met hun kenmerken. Bron: ECN
Rendementen, theorie en praktijk
Er wordt op het ogenblik van uitgegaan, dat brandstofcellen een rendement tot 75% kunnen hebben. Maar voordat deze waarde ook in de praktijk bereikt wordt, moet er nog veel aan de ontwikkeling gedaan worden. Ter vergelijking: het rendement van de verbrandingsmotor is maximaal 40%.
De brandstofcel heeft in vergelijking tot bestaande energieopwekkers een hoger rendement, doordat de omzetting van de brandstof (waterstof) in energie direct plaatsvindt. Bij de Verbrandingsmotor en de stoommachine gebeurt dit in meerdere fasen. Dan wordt eerst warmte opgewekt, vervolgens beweging (in zuigers in cilinders) en daarna eventueel elektriciteit.
De ketenefficiëntie (well to wheel) van brandstofcelvoertuigen is sterk afhankelijk van de productiemethode van de waterstof en de dimensionering van het brandstofcelsysteem. Over de hele keten kan een totaalrendement van 17-25% bereikt worden. Omzetting van aardgas in waterstof haalt in theorie een efficiëntie tot 85%; in de praktijk wordt een efficiëntie bereikt van 65-75%. Ter vergelijking, elektrolyse heeft een theoretische efficiëntie van 80-94% en in de praktijk wordt 60-70% efficiency behaald. Bron: European Commission Joint Research Center
Meer informatie over: rendement van de brandstofcel
Praktijkstatus
Brandstofcellen worden momenteel met name gebruikt in concept auto´s en als aggregaat.
Rijden in een waterstofauto: Waterstofauto kost nog 2000 euro/maand
Meer informatie over: mobiel brandstofcelaggregaat
Grondstoffen en leefomgeving
Emissies
Wanneer als voeding voor de brandstofcel waterstof wordt gebruikt, ontstaat er als emissie alleen water. Wanneer methanol als voeding wordt gebruikt, komt er naast water ook CO2 vrij. Door een toename van de exergetische efficiëntie kunnen deze emissies worden gereduceerd. Bron: ScienceDirect; Contribution of fuel cell systems to CO2 emission reduction in their application fields
Omgevingsbelasting
Een brandstofcel is geluidsarm en heeft weinig onderhoud nodig. Het gewicht van een brandstofcel verschilt per systeem en vermogen. Er zijn methanolbrandstofcellen die 1,4 miljoen joules kunnen leveren (genoeg om 20 uur 20W energie te leveren), met een gewicht van 1,7 kilogram. Deze gaan onder andere door het Amerikaanse leger gebruikt worden. Bron: Duits bedrijf ontwikkelt draagbare brandstofcel
Toekomst
In Europa, de Verenigde Staten en Japan wordt veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe soorten brandstofcellen. Het onderzoek is niet alleen gericht op elektromotoren in auto´s, maar ook op grotere schaal, voor nieuwe generaties centrales voor energieopwekking. Bron: De Europese Commissie Als aandrijving in auto´s is de brandstofcel naar verwachting in 2015 productierijp (volgens General Motors). De kosten en de infrastructuur vormen nog een obstakel dat overwonnen moet worden. Bron: Auto & Motor Techniek
De benodigde waterstof wordt nu meestal gewonnen uit aardgas. In de toekomst is het wellicht mogelijk om meer waterstof te produceren uit duurzame bronnen (bijvoorbeeld biogas) met behulp van duurzame energie. Bron: De Nederlandse Waterstof en Brandstofcellen Vereniging
Politiek, sociaal en economische factoren
Politieke en sociale factoren
De Europese doelstellingen vereisen reductie in materiaalgebruik (o.a. minder platina als katalysator), procesoptimalisatie, productieopschaling en kostenreducties in complementaire componenten voor temperatuur- en watermanagement. Daarnaast zijn doorbraken nodig op het gebied van de levensduur van de brandstofcel, de vermogensdichtheid en de koude start.
Marktperspectieven van brandstofcellen zijn divers en afhankelijk van vele factoren. Ter indicatie: Marktleider Ballard houdt rekening met commerciële introductie van brandstofceltechnologie tussen 2012 en 2015 (verkoop van 250.000 brandstofcelvoertuigen) terwijl het grote Europese waterstofprogramma (Joint Undertaking) ongeveer 1000 brandstofcelvoertuigen voor 2015 op de weg wil krijgen. Bron: De Europese Commissie
Agentschap kent subsidies toe aan onderzoeksprojecten voor onder andere brandstofcellen voor vervoer en waterstofopslag. Bron: NWO
Economische factoren
De brandstofceltechnologie is nog steeds in ontwikkeling. Kosten voor PEM brandstofceltechnologie liggen momenteel in de orde van 1000-2000 €/kW (voor het systeem).
Kengetallen
Klimaatverandering
Wanneer de brandstofcel met waterstof gevoed wordt, ontstaat er alleen water als emissie. Als methanol als voeding gebruikt wordt, komt er naast water ook CO2 vrij. De emissies over de gehele keten zijn afhankelijk van de energiebron die gebruikt wordt voor de productie van waterstof of methaan.
Leefomgeving
Een brandstofcel is geluidsarm en behoeft weinig onderhoud. Een brandstofcel is veilig in gebruik.
Kosten
Kosten voor PEM brandstofceltechnologie liggen momenteel in de orde van 1000-2000 €/kW (voor het systeem).
Tijd
In Europa, de Verenigde Staten en Japan wordt veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe soorten brandstofcellen. Het onderzoek is gericht op elektromotoren in auto´s en voor nieuwe generaties centrales voor energieopwekking.
Hernieuwbaarheid
[Draag bij aan het uitwerken van dit onderwerp, deze tekst graag aanvullen met informatie over: recycling en LCA van brandstofcellen]
Toelichting
Brandstofcellen zetten chemische energie om in elektrische energie. Brandstofcellen kunnen gebruikt worden voor aandrijving in onder andere automobielen en scooters, maar ook als aggregaat. De emissies die vrijkomen in een brandstofcel hangen af van de voeding. Wordt waterstof gebruikt als voeding dan is water de enige emissie die vrijkomt. Wanneer methanol als voeding wordt gebruikt dan komt er naast water ook CO2 vrij. De emissies over de gehele keten zijn afhankelijk van de energiebron die gebruikt wordt voor de productie van waterstof of methaan.
Extra informatie en interessante ontwikkelingen
Een Arnhems bedrijf heeft een nieuwe brandstofcel ontwikkeld. De cel werkt door een nieuw polymeer voor het membraan met minder zuivere waterstof en bij een hogere temperatuur. Bron: Technisch Weekblad
In Wageningen is onderzoek bezig naar de microbiële brandstofcel (zie onderstaand figuur). Deze brandstofcel kan elektriciteit opwekken uit het afbreken van organische verbindingen, zoals suikers, vetten en eiwitten. De energie die vrijkomt door het afbreken ervan naar uiteindelijk CO2 kan gebruikt worden om de elektriciteit te produceren. Afvalwater bevat veel organische verbindingen en dus kan een microbiële brandstofcel gebruikt worden om hieruit elektriciteit op te wekken. Bron: ClubGreen
Links
Rapporten
- International Energy Agency: http://www.iea.org/techno/essentials6.pdf
- European Commission Joint Research Center: http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/media/WTW_010307.pdf
Organisaties en bedrijven
- Ballard: http://www.ballard.com/
- Hydrogen Energy in Europe: http://www.hyways.de/
- ECN: http://www.ecn.nl/nl/units/h2sf/extra/werking-van-de-brandstofcel/soorten/
- ScienceDirect: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TH1-4TYYSCT-8&_user=10&_coverDate=02%2F15%2F2009&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1339946671&_rerunOrigin=scholar.google&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=899ee620420aa5f2304ac977afa307d8
- De Nederlandse Waterstof en Brandstofcellen Vereniging: http://www.waterstofvereniging.nl/waterstofEnBrandstofcellen/economie.html
- Rob Wink: http://www.waterstofbrandstofcellen.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=12&Itemid=27
- GMtv: http://gmtv.feedroom.com/index.jsp?fr_story=6ff99968f3d922dedf2789d5e905cf0a9e0c04f3
Overige informatie
- Fuel Cells 2000: http://www.fuelcells.org/
Well to Wheel
De informatie in dit artikel heeft betrekking op de volgende Well to Wheel analyses:
