Brandstofcel
Wat is een brandstofcel
Een brandstofcel zet op elektrochemische wijze de chemische energie van een brandstof door reactie met een oxidant rechtstreeks om naar elektriciteit. Aangezien de celreactie exotherm is, komt bij de reactie van de brandstofcel naast elektriciteit ook warmte vrij. In een thermische centrale wordt de warmte, die vrijkomt bij de verbranding, via een thermodynamische cyclus omgezet in mechanisch vermogen op de turbines. Een generator zet het mechanisch vermogen vervolgens om in elektrisch vermogen. In onderstaande figuur is een eenvoudige opstelling van een brandstofcel te zien.
Werking brandstofcel
In de figuur bovenaan is een opstelling van een brandstofcel te zien. De PEM FC of Proton Exchange Membrane Fuel Cell is een brandstofcel die werkt met een polymeer elektrolyt, voorzien van katalysatoren. Een elektrolyt is het medium dat de verbinding vormt tussen de twee polen (in de figuur is dit aangegeven door A en B) van de brandstofcel. Elektrolyten zijn samengestelde stoffen die in een oplossing of in gesmolten toestand geheel of gedeeltelijk in ionen splitsen en de elektrische stroom geleiden. In de PEM brandstofcel vinden de volgende reacties plaats:
Anode: 2H2 --> 4H + 4e Oxidatie (vrijmaken van elektronen)
Kathode: O2 + 4H +4e --> 2H2O Reductie (absorptie van elektronen)
Totale reactie: 2H2 + O2 --> 2H20
Overeenkomsten brandstofcel, batterij en accumulator
| Brandstofcel | Batterij | Accumulator |
|---|---|---|
| Omzetten in elektrische energie | Omzetten in elektrische energie | Omzetten in elektrische energie |
| Constante toevoering van waterstof nodig | Geen constante toevoering van waterstof nodig | Geen constante toevoering van waterstof nodig |
| Kan meer dan 1 keer gebruikt worden | Kan maar 1 keer gebruikt worden | Kan meer dan 1 keer gebruikt worden |
Vergelijking van 2 verschillende brandstofcellen (hoge- en lage temperatuurbrandstofcellen
Hoge-temperatuurbrandstofcel
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforzure brandstofcel)
Lage-temperatuurbrandstofcel
PEM FC: Polymer Electrolyte Fuel Cell (vaste-polymeerbrandstofcel)
| PAFC | PEM FC | |
|---|---|---|
| Brandstof | Waterstof (H2) | Waterstof en/of Koolstofdioxide (H2 en/of CO2) |
| Bedrijfstemperatuur (graden Celsius) | 200 | 50-220 |
| Soort Elektrolyt | Polymeer | Fosforzuur |
Voordelen van een brandstofcel
- In theorie zijn hoge elektrische rendementen mogelijk, van ongeveer 60-70%
- De brandstofcel produceert ook warmte, waardoor deze ook als WKK-installatie gebruikt kan worden. Voordeel is dat het rendement hoog blijft.
- De geringe schadelijke emissies van brandstofcellen zijn een groot voordeel ten opzichte van klassieke verbranding.
- Brandstofcellen zelf bevatten geen bewegende delen. Ze werken daardoor geruisloos en zijn niet onderhevig aan mechanische slijtage (alles wat beweegt slijt).
Nadelen van een brandstofcel
- Op het ogenblik is het commerciële aanbod van brandstofcellen beperkt.
- De kostprijs is een erg groot probleem, deze is momenteel nog zeer hoog.
- Sommige brandstofcellen hebben last van corrosie (roest e.d.).
- De brandstofcel heeft veel ruimte nodig, waardoor mobiele toepassingen bijna onmogelijk zijn (brandstofcellen in auto's e.d.)
- Op dit moment bestaat er weinig infrastructuur voor waterstof zoals dat wel het geval is bij andere brandstoffen (gas, olie). Een infrastructuur voor waterstof is erg duur.
- Waterstof is een brandbaar en explosief gas. Er moeten dus veiligheidsmaatregelen getroffen worden voor het veilig gebruik van waterstof.
- De levensduur van een brandstofcel is circa 20 jaar.