Fuel cells

Uit Technotheek
Versie door Jet (Overleg | bijdragen) op 30 okt 2012 om 16:31
(wijz) ← Oudere versie | Huidige versie (wijz) | Nieuwere versie → (wijz)
Ga naar: navigatie, zoeken
Fuel cells
Fuelcells.jpg
Eigenschappen
Categorie: Componenten
Originele auteur: Matthis de Wit en Jeanine van der Hoek
Jaar: 2010
Wikipedia link: Fuel cell

Inhoud

Inleiding

De fuel cell, of brandstofcel, zijn apparaten die doormiddel van een chemische reactie electriciteit opwekken.

Beschrijving

Werking

Een brandstof cell bestaat uit een aantal onderdelen, de belangerijkste daarvan zijn de anode, kathode en elektrolytlaag (zie afbeelding bovenaan). In de anode vind een redoxreactie plaats die kationen, positief geladen ionen, en electronen levert uit de brandstof. De elektrolytlaag scheidt vervolgens de van de electronen. In de kathode vind weer een redox reactie plaats die de electronen en kationen weer omzetten naar moleculen met behulp van oxidanten. De anode levert dus electronen en de kathode gebruikt deze, maar omdat de electronen gescheiden worden door de elektrolytlaag, onstaat er een electrisch spanningsverschil. Het spanningsverschil kan gebruikt worden om electrische apparaten te voorzien van stroom.

Verschillende soorten

Werking van een fuel cell

De meest voorkomende brandstofcellen gebruiken waterstof (H2) als brandstof en zuurstof (O2) als oxidator, dit worden ook wel waterstofcellen genoemd maar er zijn meerdere combinaties mogelijk. Andere voorbeelden van brandstoffen zijn koolwaterstoffen (methaan, ethaan, ...etc) en alcoholen (bijv. methanol), andere voorbeelden van oxidanten zijn chloor en chloordioxide. Er zijn dus allemaal verschillende soorten brandstofcellen die afhankelijk zijn van de brandstof, oxidant, elektrolytlaag en dus de redoxreacties. De meest bekende zijn Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cells, Direct Methanol Fuel Cells, Alkaline Fuel Cells, Phosphoric Acid Fuel Cells, Molten Carbonate Fuel Cells, Solid Oxide Fuel Cells, en vast nog meer soorten. Een korte uitleg per brandstofcel volgt hieronder.

Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cells

Deze brandstofcel werkt op waterstof (brandstof) en zuurstof (oxidant) en als catalysator in de elektrolytlaag wordt een edelmetaal (vaak platina) gebruikt. Voor afbeelding, zie afbeelding bovenaan.
+ laag gewicht en volume tov andere brandstofcellen
+ hoge vermogensdichtheid
+ geen bijtende vloeistoffen benodigd
+ goede power/weight ratio
+ werkt op relatief lage temperatuur (80’C)
+ dus weinig opwarmtijd
+ low sensitivity to orientation
- edelmetaal nodig, dus kostbaar
- platina catalysatoren zijn gevoelig voor CO aantasting, dus er is een extra filter tegen CO

Wordt vooral gebruikt voor transport doeleinden zoals auto’s en bussen.

Direct Methanol Fuel Cell

Direct Methanol Fuel Cells

Deze brandstofcel werkt op Methanol dit wordt met stoom gemengd en direct door de brandstofcel gestuurd.
+ Opslag van Methanol is makkelijker, omdat het een vloeistof is
- Het is nog redelijk nieuw, de ontwikkeling van deze brandstofcel loopt daarom ook nog erg achter tov van andere brandstofcellen

Alkaline Fuel Cells

Alkaline Fuel Cell

Deze brandstofcel werkt op waterstof (brandstof) en zuurstof (oxidant). Door de electrolytlaag van een oplossing met Kaliumhydroxide kunnen er verschillende non-edelmetalen gebruikt worden als catalysator.
+ Hoog rendement
- Snel vervuild door CO2, dit verkort levensduur
Vooral gebruikt in de ruimtevaart.

Phosphoric Acid Fuel Cell

Phosphoric Acid Fuel Cell

Deze brandstofcel werkt op waterstof (brandstof) en zuurstof (oxidant). De electrolytlaag bestaat uit Fosforzuur en koolstof elementen met daarin een platina catalysator.
+ Niet snel aangetast door onzuivere brandstof
- Geen hoog rendement opzichzelf, wel in combinatie met andere bronnen
- Minder vermogen t.o.v. andere brandstofcellen met dezelfde verhoudingen
- Duur door platina katalysator en grootte
Wordt veel gebruikt in stationaire toepassingen en enkele grote vervoersmiddelen zoals bussen.

Molten Carbonate Fuel Cells

Molten Carbonate Fuel Cell

Ook bij deze brandstofcel wordt er waterstof gebruiikt als brandstof en zuurstof als oxidant. Omdat de brandstofcel pas functioneel is op hoge temperaturen hoeven er geen edelmetalen gebruikt te worden als katalysator.
+ Hoge efficientie
+ Geen transformer nodig voor om sommige stoffen omtezetten naar waterstof door de hoge temperatuur
+ Niet snel aangetast door onzuivere brandstof
- Levensduur door corrosie
Worden ontwikkeld voor het opwekken van energie voor gas en kolen energiecentrales. Toepassingsgebieden zijn vooral industrieel en militair.

Solid Oxide Fuel Cells

Solid Oxide Fuel Cell

Ook deze brandstofcel werkt op waterstof met zuurstof, de electrolytlaag is van een keramiek wat zorgt voor een simpelere manier van construeren. Het werkt op zeer hoge temperaturen waardoor ook hier geen edelmetaal nodig is als katalysator en bestand is tegen onzuivere brandstof.
+ Zeer efficient
+ Niet snel aangetast door onzuivere brandstof
- Langzame opstart door de hoge temperatuur
-Veilige hitte bestendige behuizing nodig, wat toepassingen in kleinere applicaties onmogelijk maakt
- Levensduur

Regenerative Fuel Cells

Werkt al seen standaard branstofcel, gebruikt waterstof en zuurstof om water, hitte en elektriciteit te maken. De brandstofcel kan echter ook andersom werken en door electriciteit en water, waterstof en zuurstof te creeeren. Nog erg in onderzoek bij NASA.

De brandstofcellen die op hoge temperaturen werken hebben dus meestal geen last van aantasting door CO of CO2 en geen platina of ander edelmetaal nodig als catalysator. Het nadeel van de brandstofcellen op hoge temperatuur is dat de levensduur korter is en groot zijn om de omgeving te beschermen tegen de hitte. De hitte van deze brandstofcellen zorgt er ook voor dat ze een langzame opstarttijd hebben.

Toepassingen

Er zijn vele toepassingen voor brandstofcellen. Op dit moment werken veel grote autofabrikanten hard om de brandstofcelauto te commercialiseren. Brandstofcellen kunnen worden gebruikt voor het aandrijven van bussen, boten, treinen, vliegtuigen, scooters, heftrucks en zelfs fietsen. Ook zijn er brandstofcel aangedreven stofzuigers en verkeersborden op snelweg. De miniatuur brandstofcellen worden o.a. toegepast in mobiele telefoons en laptop computers. Ziekenhuizen, creditcard centra, politiebureaus en banken zijn in staat zelf stroom te leveren voor hun faciliteiten met behulp van brandstofcellen. Zelfs afvalwaterzuiveringsinstallaties en stortplaatsen zijn in staat met behulp van brandstofcellen de productie van methaan gas om te zetten in elektriciteit. Kortom de mogelijkheden zijn eindeloos.

Stationaire brandstofcellen

Over de hele wereld zijn al meer dan 2500 brandstofcelsystemen geïnstalleerd, in ziekenhuizen, verpleeghuizen, hotels, kantoorgebouwen, aangesloten op het elektriciteitsnet of als extra voeding, back up stroomvoorziening in kritische gebieden.Op dit moment ontwikkelt en vervaardigt de Finse scheepsmotorenfabrikant Wärtsilä brandstofcellen. Zij verwachten dat stationaire brandstofcellen in de toekomst op grote schaal gebruikt kunnen gaan worden. De brandstofcellen werken aardgas,methanol of biogas en halen een hoog rendement bij schone elektriciteitsopwekking. Een voorbeeld van deze technologie is een hoge temperatuur-brandsftofcel van 750 graden Celsius. Deze is zeer geschikt voor industriële toepassingen o.a. bij de aandrijving van schepen in havens om zo de luchtkwaliteit te verbeteren. Verder zijn de cellen toe te passen in kantoren en ziekenhuizen zoals het Rhön ziekenhuis in Bad Neustadt.Daar gebruikt men de hoge temperatuur om stoom te maken, die weer gebruikt voor sterilisatie en bevochtiging. De restwarmte wordt gebruikt voor de verwarming. Het systeem kan ook worden ingezet als noodstroomvoorziening.

Telecommunicatie

Het gebruik van computers, internet, netwerken en communicatie neemt steeds meer toe, hierdoor is er behoefte aan een meer betrouwbare krachtbron dan het huidige elektriciteitsnet. Brandstofcellen hebben bewezen tot 99,999% betrouwbaar zijn.

Waterzuivering installaties

Momenteel worden brandstofcellen zelfs gebruikt op stortplaatsen en waterzuiveringsinstallaties, deze technologie zorgt voor het verminderen van de uitstoot van methaangas en het genereren van stroom hieruit. De cellen zijn ook geïnstalleerd op verschillende brouwerijen en wijnmakerijen o.a.in Sierra Nevada, Kirin, Asahi en Sapporo en Napa Wine Company. In het ongezuiverde afvalwater van de brouwerijen vindt anaërobe gisting plaats, die breekt organische verbindingen af, waarbij methaan ontstaat: een waterstof rijke brandstof.

Auto

Auto op fuel cells

Veel grote autofabrikanten hebben een brandstofcelauto in ontwikkeling of zijn deze al aan het testen. De eerste auto met brandstofcel die in serie geproduceerd wordt is de Honda Clarity FCX . Deze auto heeft een tank met waterstof (H2) aan boord waarmee onderweg stroom wordt opgewekt, die op zijn beurt weer voor de aandrijving zorgt. Het enige dat daarvoor nodig is, is een beetje zuurstof uit de lucht. De brandstofcel levert stroom door een reactie tussen waterstof en zuurstof waarbij water ontstaat. Helaas kost het maken en opslaan van waterstof heel veel energie. Waterstof laat zich moeilijk bewaren, de moleculen kunnen door veel materialen heendringen. Voordeel is dat de tank in een paar minuten gevuld is en dat de auto enkele honderden kilometers rijdt op een tank waterstof.

Bussen

Bus op waterstof

In Noord- en Zuid-Amerika, Europa, Azië en Australië zijn in de afgelopen vier jaar meer dan 50 brandstofcel-bussen gedemonstreerd. Brandstofcellen zijn zeer efficiënt, zelfs als de waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, kunnen brandstofcel-bussen de “CO2 uitstoot” verminderen. Omdat een brandstofcelsysteem veel stiller is dan een dieselmotor, zorgen brandstofcelbussen voor een aanzienlijk vermindering in geluidsoverlast .Ook in Nederland is er een proefproject met waterstof aangedreven bussen o.a. in Amsterdam en Nijmegen.

Scooters

Scooter op fuel cells

Ondanks hun geringe grootte, zijn de vele scooters een grote bron van verontreiniging. De met fossiele brandstoffen aangedreven scooters produceren erg veel uitlaatgassen. Met name de twee-taks scooters, zij produceren bijna evenveel fijn stof en aanzienlijk meer koolwaterstof en koolmonoxide als een zware diesel truck. De brandstofcel scooters op waterstof zal de uitstoot van deze stoffen zeer sterk verminderen. Zeker in landen als India, waar een groot deel van de bevolking gebruik maakt van scooters, is dit een geweldige toepassing.

Draagbare brandstofcellen

Brandstof cellen kunnen stroom leveren waar geen elektriciteitsnet beschikbaar is. Bovendien zijn ze stiller, dus door gebruik te maken van brandstofcellen in plaats van een luidruchtige, vervuilende generator op de camping zal niet alleen de uitstootCO2 verminderen, maar zal de natuur en ook uw campingburen niet worden gestoord. Draagbare brandstofcellen worden ook gebruikt in noodstroom situaties en bij militaire toepassingen. Ze zijn veel lichter dan accu's en bovendien een stuk langer te gebruiken en daarom belangrijk om soldaten met zwaar materieel in het veld te ontlasten.

Miniatuur brandstofcellen

Consumer Electronics-Brandstofcellen zullen de telewerk wereld veranderen. Bedrijven hebben al aangetoond met miniatuur brandstofcellen mobiele telefoons voor 30 dagen te kunnen opladen en laptops voor 20 uur. Andere toepassingen voor micro-brandstofcellen zijn semafoons, video recorders, draagbare elektrische gereedschappen. Maar ook in hoorapparaten, rookmelders, inbraakalarm en sloten en andere apparaten met een laag stroomverbruik . Het Finse Nokia is de grootste mobiele telefoon producent ter wereld en heeft daardoor veel potentie om de doorbraak van brandstofcellen in mobiele telefoons een succes te maken. Het gebruik van brandstofcellen in mobiele telefoons heeft als groot voordeel dat de standby tijd wordt verlengd wat meer mogelijkheden biedt zoals het kijken van televisie op een mobiele telefoon. Steeds langere standby tijd is een belangrijke eis van de moderne gebruiker. Samsung heeft een microbrandstofcel ontwikkeld die op water draait en geschikt is voor gebruik in mobiele telefoons. Deze micro-brandstofcel kan tot drie watt aan elektriciteit opleveren, en wordt gebruikt in mobiele apparaten. Samsung claimt dat met de alternatieve energiebron een mobiele telefoon tot 10 uur intensief gebruikt kan worden, of 5 dagen normaal gebruik. Dit is 2 keer zoveel als met oplaadbare batterijen.

Voordelen

Schoon

Een belangrijk voordeel van een brandstofcel is dat het mogelijk is om duurzame, waterstofrijke grondstoffen te gebruiken in plaats van fossiele brandstoffen. Voorbeelden van waterstofrijke grondstoffen zijn methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH) en waterstof (H2). Waterstof heeft ook nog eens het voordeel dat het vrijwel geen CO2 produceert. Wanneer waterstofdoor middel van wind- of zonne energie wordt gewonnen, kan de uitstoot van bron tot beweging vrijwel nul zijn. Onder het rijden stoot een waterstofvoertuig met een brandstofcel alleen waterdamp uit en geen schadelijke uitlaatgassen. Daarom worden brandstofcellen ook wel aangeduid als "nul-emissie-technologie". Verder zijn brandstofcellen stil en onderhoudsvriendelijk omdat ze geen bewegende onderdelen bevatten .Brandstofcelvoertuigen produceren geen motorgeluid. Dit zal zeker bijdragen aan het stiller maken van drukke woonwijken en stadskernen. Ook voor passagiers is het prettiger reizen in een stille bus.

Hoger rendement

Brandstofcellen hebben het grote voordeel dat ze een hoger rendement hebben dan de huidige omzettingen van chemische energie naar elektrische energie. Zo heeft een brandstofcel in een auto een hoger rendement dan een verbrandingsmotor en maakt een stationaire brandstofcel efficiënter gebruik van grondstoffen dan een elektriciteitscentrale. Met stationaire brandstofcellen kan elektriciteit efficiënt opgewekt worden. Doordat ze nabij bebouwing kunnen worden toegepast, kan de restwarmte efficiënt worden ingezet voor bijvoorbeeld de verwarming van woonwijken of tuinbouwkassen, waardoor het totaalrendement toeneemt

Minder afhankelijk van fossiele brandstoffen

Omdat brandstofcelvoertuigen niet zijn aangewezen op aardolieproducten, neemt de voorzieningszekerheid toe. Waterstof zal in de toekomst worden geproduceerd door elektrolyse van water. De hiervoor benodigde elektriciteit wordt opgewekt met windenergie, zonne-energie of waterkracht. Ook kunnen bio-brandstoffen worden ingezet. Vóór dat op deze wijze op grote schaal waterstof beschikbaar komt, kan in combinatie met een reformer ook gebruik gemaakt worden van bijvoorbeeld aardgas. Zelfs productie uit benzine, aan boord van een auto, behoort tot de mogelijkheden.

Overgang naar een duurzame maatschappij

De energievoorziening van de toekomst zal in steeds grotere mate afhankelijk zijn van hernieuwbare energiebronnen zoals wind, zon, waterkracht en biomassa. Vervoer en opslag van op deze wijze opgewekte energie zullen voornamelijk plaatsvinden in de vorm van H2. De brandstofcel is dé technologie bij uitstek voor verder gebruik van deze H2. Met de invoering van brandstofcel wordt het mogelijk om onze huidige, op fossiele brandstoffen gebaseerde maatschappij te veranderen naar een maatschappij van de toekomst, gebaseerd op hernieuwbare energiebronnen.

Ontwerpvrijheid

Automobielbouwers als General Motors voorzien een toekomst waarin elektrische en hydraulische functies als sturen en remmen door servomotoren zijn overgenomen. In zo’n ontwikkeling past een technologie die direct, zonder dynamo, elektrische energie in grote hoeveelheden beschikbaar maakt. Daarnaast is de vormgeving van de brandstofcel niet opgelegd door de aanwezigheid van een krukas, drijfstangen en cilinders met zuigers. De brandstofcel is modulair en kan vrijwel elke vorm aannemen. In combinatie met servobesturing ontstaat een ontwerpvrijheid die veel groter is dan die welke de ontwerpers vandaag de dag wordt gegund.

Lokale energiebronnen

Brandstofcellen dragen er aan bij om lokale duurzame energiebronnen te gebruiken, zoals wind en zonne energie. Ze kunnen worden geplaatst om op vrijwel elke locatie elektriciteit op te wekken . Brandstofcellen kunnen een bijdrage leveren aan een gedistribueerd energieproductiesysteem (waarbij de energie lokaal wordt opgewekt) en daarmee kan een hogere betrouwbaarheid en efficiëntie behaald worden.

Voordeel t.a.v. elektrische auto

Het tanken van een brandstofcelauto duurt kort, dit in tegenstelling tot een elektrische auto waarbij het opladen van de accu’s zo’n 6 uur duurt. Een bijkomend voordeel t.a.v een elektrische auto is dat een brandstofcel lichter en compacter is dan de benodigde accu’s van een elektrische auto.

Nadelen

Waterstof moet geproduceerd worden

Dat we op dit moment nog niet massaal rondrijden in stille en op brandstofcellen rijdende auto’s komt door een aantal nog niet opgeloste problemen. Waterstof is namelijk geen energiebron maar een energiedrager. Het komt nauwelijks in de natuur voor en moet dus geproduceerd worden. Dat kost veel energie. Wanneer deze energie geleverd wordt door niet-schone energiebronnen als aardgas of kolen, wordt het milieu alsnog belast.

Opslag en transport van waterstof is nog een probleem

Opslag en transport van waterstof zijn niet goed geregeld. Waterstof kan worden opgeslagen door gebruik te maken van hoge drukken en zeer lage temperaturen. Met de huidige technologie is het nog moeilijk om waterstofgas op te slaan of te vervoeren. Dit komt omdat waterstofgas weinig energie per volume-eenheid oplevert in vergelijking met butaangas of propaangas. Om een gelijke hoeveelheid energie aan waterstofgas te vervoeren is er dus een veel grotere tank nodig. Men kan dit verhelpen door het waterstofgas onder hoge druk te zetten, maar bij grootschalige productie zou er veel energie verloren gaan bij deze compressiestap. Waterstof laat zich ook moeilijk bewaren want de moleculen kunnen door veel materialen heen dringen. Opslagtanks moeten dan ook zeer stevig en geïsoleerd zijn. Ook dat zou erg veel onderzoek en geld vergen. Ook is onduidelijk wat de effecten zijn als waterstof in grote hoeveelheden zou vrijkomen in de atmosfeer.

Ontbreken van waterstoftankstations

Tankstations moeten worden aangepast om waterstofbussen en auto’s van brandstof te kunnen voorzien. Onze huidige infrastructuur is ( nog helemaal) niet ingesteld op rijden op waterstof. Het gebruik van waterstof voor huishoudelijke toepassingen in een wijk vraagt ook om een aangepaste infrastructuur met bijbehorende veiligheidseisen en apparatuur. De waterstof voor een wijk kan lokaal worden geproduceerd uit aardgas of biogas en worden gedistribueerd. Of de bestaande lage druk distributie netwerken geschikt zijn voor de distributie van waterstof moet worden onderzocht. Aanpassing van de infrastructuur op waterstof en ontwikkeling van technologieën daarvoor vragen om grote investeringen. Daarvoor is nog veel nieuw onderzoek nodig en dus ondernemers die hierin willen investeren.

Hoge kosten

Maar het grootste probleem zijn de kosten. De kosten van een brandstofcelbus bijvoorbeeld zijn een factor zes keer zo hoog. Een dieselbus komt op 250.000 euro, bij een brandstofcelbus zit je op 1,5 miljoen per bus. De elementen van de brandstofcel zijn stuk voor stuk duur. Eén onderdeel in het bijzonder: de elektroden. Die zijn tot nu toe vaak gemaakt van platina. Dit edelmetaal is echter zeer schaars en duur. Er is lang niet genoeg beschikbaar om op grote schaal brandstofcellen mee te maken. Er is dus behoefte aan een alternatief. Onlangs kwamen twee vondsten naar buiten waar met behulp van nano technologie een alternatieve katalysator werd gemaakt.

Milieuaspecten

De voordelen van een brandstofcel op milieugebied zijn overduidelijk, het is stil, het rendement is hoog en het produceerd geen schadelijke afvalstoffen. Er zijn echter wel een paar dingen waar rekening mee gehouden zou moeten worden. De brandstof die bijna altijd wordt gebruikt in een brandstofcel, waterstof (H2), kan worden opgewekt door verschillende biologische en chemische processen. De processen zijn op basis van elektrolyse of thermolyse, wanneer de electriciteit of warmte op een milieu onvriendelijke manier wordt opgewekt komen er nog steeds schadelijke stoffen in het milieu. Dit is vooral van belang omdat de processen die wel milieuvriendelijk zijn, nog niet zodanig kostenefficient om grootschalig gebruikt te worden, en wordt het gebruik van brandstofcellen nog niet veel toegepast op een echt milieuvriendelijke manier. Een ander nadeel van waterstof is dat het het lichtste gas is, dit betekend dat het erg gevoelig is voor lekkage. Als waterstof of dezelfde schaal zou worden toegepast als olie dan wordt er voorspeld dat de ontsnapte hoeveelheid waterstof 10-20% van het totaal bedraagd. Deze ontsnapte waterstof is schadelijk voor het milieu omdat het met ozon reageerd tot water, wat het ozon gat groter maakt. Bij het ontwerpen van producten met een brandstofcel moet dus goed rekening worden gehouden met het transport van de brandstof en in welke omgeving het wordt toegepast, omdat waterstof niet overal aanwezig is.

Leveranciers en kenniscentra

Vakgroep IMS van TNW aan de Universiteit Twente
Wij hebben een interview gehouden met Nicolas Hildenbrand M.Sc. en als er nog vragen waren konden we altijd even een mailtje sturen.

ECN ontwikkelt hoogwaardige kennis en technologie voor de overgang naar een duurzame energiehuishouding. En brengt die naar de markt. Speerpunten zijn energiebesparing, duurzame energie en een efficiënt en schoon gebruik van fossiele brandstoffen.

Hexis is een bedrijf dat gespecialiseerd is in brandstofcellen die werken op een hoge temperatuur, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), in de toepassingen waar een relatief klein vermogen benodigd is.

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen