Fuel cells / Brandstofcellen

Uit Technotheek
Versie door Jet (Overleg | bijdragen) op 30 okt 2012 om 15:39
(wijz) ← Oudere versie | Huidige versie (wijz) | Nieuwere versie → (wijz)
Ga naar: navigatie, zoeken
Fuel cells / Brandstofcellen
Brandstofcel voor hobbyisten.jpg
Eigenschappen
Categorie: Componenten
Originele auteur: Maurits Maks en Arvid Jense
Jaar: 2011
Wikipedia link: Fuel cell

Inhoud

Inleiding

Brandstofcel voor hobbyisten om mee te experimenteren

Een fuel cell of brandstofcel is een element dat elektrische energie produceert voor diverse toepassingen. Dit is goed te vergelijken met een batterij. Er kan echter continue van buitenaf brandstof worden toegevoegd, zodat het proces niet stopt zoals bij een batterij. Brandstofcellen kunnen in diverse afmetingen samengesteld worden; van minder dan 1 W tot meer dan 100 MW aan vermogen. Altijd dient er een opslag van brandstof te zijn die de brandstofcel voedt. Doordat de brandstofcel een heel hoog rendement heeft en geen schadelijke uitstoot heeft, is deze zeer milieuvriendelijk. Hij verbruikt echter nog steeds brandstof.

Beschrijving

In de brandstofcel vindt een elektrochemisch proces plaats dat een brandstof omzet in elektrische energie zonder dat daarbij een tussenproduct van mechanische of thermische energie is. Hierdoor is het mogelijk om een veel hoger rendement te behalen dan bij de conventionele processen. De brandstofcel wordt gevoed van buitenaf met een brandstof, meestal in de vorm van waterstof. Daarnaast heeft de brandstofcel een oxidator nodig in de vorm van zuurstof. Hiervoor wordt meestal de zuurstof uit de lucht gebruikt.

Historie

Brandstofcellen uit het Apollo ruimtevaartuig

De reactie die optreedt in de brandstofcel is in 1838 ontdekt door de Duitse onderzoeker Schönbein. Kort daarop is door Welsh onderzoeker Grove een prototype gemaakt. Halverwege de 20e eeuw is dit basisprincipe van de brandstofcel verder uitgewerkt tot een commercieel product. Dit kon gebruikt worden als demonstratiemodel en in de ruimtevaart. Ook werd het mogelijk om de brandstofcel voor diverse mobiele apparaten te gebruiken, zoals trekkers, bussen en later ook auto’s.

Verschillende brandstofcellen

Er zijn vele verschillende typen brandstofcellen ontworpen, waarbij vooral het type elektrolyt tussen de elektroden verschillend is. Als elektrolyt kan een kunststof membraan, een zout, een zuur of een keramiek gebruikt worden. Daarnaast kunnen diverse brandstoffen gebruikt worden afhankelijk van het type brandstofcel, bijvoorbeeld: Waterstof, aardgas, propaan of methanol. Het gebruikte type elektrolyt is ook de naamgever van de brandstofcel. Hieronder zal de PEM-Fuel Cell worden behandeld. PEM staat voor Proton Exchange Membrane en slaat op het elektrolyt.

Overeenkomsten brandstofcellen

Alle brandstofcellen werken volgens het principe van de redox reactie, waarbij de reactie gescheiden verloopt. De ionen gaan door het elektrolyt en de elektronen gaan door de bedrading naar de last. Aan de ene elektrode wordt de brandstof toegevoegd en aan de andere kant de oxidator in de vorm van zuurstof. Vaak wordt daarvoor lucht gebruikt, zodat er geen opslag van zuurstof nodig is. Alle brandstofcellen produceren elektrische energie. Een elektrisch rendement rond de 40% is heel normaal en 60% is te realiseren. De overige energie wordt in de brandstofcel omgezet in warmte. Bij het proces komt altijd water vrij als afvalproduct. Bij de brandstofcellen die gevoed worden met koolwaterstoffen komt ook koolstofdioxide vrij.

Toelichting uitleg Proton Exchange Fuel Cell

Wij behandelen de PEM-Fuel Cell, omdat deze volgens het zelfde principe werkt als de historische brandstofcellen en daarnaast het beste te gebruiken is voor de kleinere mobiele toepassingen. Dit komt door de relatieve lage temperatuur waarop de brandstofcel functioneert, namelijk 50 – 120*C. Bij een hogere temperatuur zal het water verdampen en het kunststof membraan smelten. Bij een lagere temperatuur verlopen de reacties trager en worden ze minder efficiënt. De Direct Methanol Fuel Cell behoort ook tot de PEM-Fuel Cells, maar functioneert op methanol ipv waterstof, dit geeft voordelen aan de opslag. Methanol is bij kamertemperatuur namelijk een vloeistof, in tegenstelling tot waterstof. Het rendement is helaas nog wel erg laag met ongeveer 25%.

Werking Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Schematische weergave van de werking van een PEM-Fuel Cell

Aan de kant van de negatieve elektrode oftewel de anode wordt waterstof gas toegevoegd. De waterstof moleculen worden onder invloed van een katalysator gesplitst in elektronen en waterstof ionen, oftewel protonen. De elektrode is veelal gemaakt van een geleidend koolstof weefsel, met daarop bijvoorbeeld platina als katalysator. De elektronen kunnen niet door het elektrolyt, omdat deze een elektrische isolator is. De elektronen gaan daarom door de bedrading naar een last en daarna naar de kathode. Bij de kathode worden de elektronen gebruikt om zuurstof moleculen te splitsen in zuurstof ionen. De protonen verplaatsen zich door het membraan, want het membraan fungeert als een elektrolytische oplossing in water. Aan de kunststof polymeren van het membraan bevinden zich zuur groepen die protonen kunnen doorgeven daarvoor dient het membraan dient vochtig te zijn. De protonen reageren daarna met de zuurstof ionen aan de kant van de kathode van de brandstofcel. Hierbij ontstaat waterdamp als afvalproduct, deze wordt afgevoerd met de toegevoegde lucht.

Stack van meerdere brandstofcellen, links aansluiting voor toevoer en afvoer van gassen

De cel kan een spanning van ongeveer 0,7Volt produceren, de stroom is afhankelijk van het oppervlak van de cel. Om een gewenste hogere spanning te krijgen kunnen meerdere cellen in serie geschakeld worden. Meerdere cellen in serie wordt een stack genoemd. Deze stack heeft nog meer functies, zo dient de stack er ook voor om de warmte af te voeren voor een juiste werking van de cellen. Daarnaast heeft de stack meerdere gas aansluitingen, namelijk voor het waterstof. De zuurstof of lucht en de afvoer van onvolledig verbrande waterstof en afvalproducten zoals waterdamp. Tussen de elektroden zijn platen aangebracht voor de verdeling van de gassen, diverse kleine kanaaltjes aangesloten op de hoofdaansluitingen zorgen daarvoor.

Andere typen brandstofcellen

Naast het hierboven behandelde type PEM-Fuel Cell zijn er nog diverse andere soorten brandstofcellen. Een groot verschil zit vooral in het type elektrolyt, zoals bijvoorbeeld bij de Solid Oxide-Feul Cells. Hierbij is het elektrolyt een zout dat op een temperatuur tussen de 500 en 1000*C ionen kan uitwisselen. Meestal gaat het hierbij om zuurstof ionen die van kathode naar anode door de cel gaan. De SO-Fuel Cell heeft als voordeel dat deze kan functioneren op lichte koolwaterstoffen, zoals methaan. Daarnaast verlopen de reacties door de hogere temperatuur efficiënter, waardoor deze techniek veel gebruikt wordt in continue bedrijf. Voor mobiel of niet continue bedrijf is dit type minder geschikt. Ook voor kleine vermogens is het minder geschikt. Voor meer informatie over de verschillende typen brandststofcellen en hun voor- en nadelen kijk vooral op de Engelse Wikipedia.

Meerdere brandstoffen voor de brandstofcel

Schematische weergave van de reformer, een koolwaterstof gaat er in en waterstof en kooldioxide komen er uit

Door gebruik te maken van een reform proces op de brandstof is het mogelijk om diverse koolwaterstoffen te gebruiken als brandstof, zoals benzine. Door de benzine bij een hoge temperatuur en onder toevoeging van stoom te kraken wordt waterstof en koolstofdioxide verkregen. Deze waterstof kan daarna in de brandstofcel verbrandt worden. Het voordeel is dat nu diverse brandstoffen gebruikt kunnen worden, echter is een nadeel dat dit proces ook weer energie kost en kostenverhogend is.

Rendement verhogen en warmteterugwinning

De geproduceerde afvalwarmte van de brandstofcel kan ook gebruikt worden voor andere processen, zoals verwarming. Hierdoor is het rendement te verhogen tot ongeveer 90%. Daarnaast is het ook mogelijk om de onvolledig verbrande waterstof na te verbranden in een turbine die een generator aandrijft. Hierbij kan ook de geproduceerde warmte van de brandstofcel toegevoegd worden. Door het toepassen van deze turbine is het elektrische rendement met 10% te verbeteren.

Eigenschappen

  • Vermogen: <1W tot >1MW
  • Temperatuur: 20-1200ºC

Leveringsvormen

Als in te bouwen element met aan de ene kant een brandstof aanvoer en aan de andere kant aansluitpunten voor elektriciteit en water afvoer.

Toepassingen

  • Wijk voorziening; een woonwijk in Arnhem heeft twee jaar elektrische energie gekregen van een grote experimentele brandstofcel. Dit soort voorzieningen hebben een vermogen van 100kW tot 10MW en hebben het formaat van een container of groter
  • Noodvoorziening; vaak gebruikt voor ziekenhuizen, telecom en serverparken/datacentra. Deze brandstofcellen hebben vermogens van tussen de 1kW en 100kW en hebben vaak het formaat van een koelkast of groter. Je ziet al steeds vaker naast zendmasten een brandstofcel staan.
  • Voertuigen: Er is veel onderzoek naar brandstofcellen in auto’s, vliegtuigen en boten. Tot nu toe zijn alleen kleine toepassingen als vorkheftrucks commercieel haalbaar gebleken. In het publieke domein zijn er grootschalige tests geweest als de brandstofcelbus in Amsterdam.
  • Draagbare energie: Om toch elektronische apparatuur te kunnen gebruiken op plekken waar geen lichtnet is, kunnen brandstofcellen ideaal zijn. Voor het Amerikaanse leger heeft Samsung een 1800Wh cel ontwikkeld en Toshiba heeft al een cel op de markt die op methanol usb apparaten kan opladen.
  • Mobiele apparaten: Er zijn een aantal concept telefoons en mp3 spelers ontwikkeld waar een geïntegreerde brandstofcel energie opwekt die de batterij oplaadt als je hem vult met brandstof. Het is hier nog niet tot een commercieel product gekomen.
  • On-chip brandstofcel: De nieuwste ontwikkeling is om brandstofcellen via MEMS te integreren met chips. Dat betekent dat er helemaal geen batterij meer nodig zou zijn in mobiele apparaten.

Voordelen

  • Weinig onderhoud (geen bewegende onderdelen)
  • Hoog rendement (40-60%)
  • Bedrijfszeker (stabiele spanningsbron)
  • Geen/minder schadelijke uitstoot
  • Brandstof eenvoudig te produceren (ook als omkeerbaar proces, door elektrolyse afval water)
  • Waterstof heeft extreem veel chemische energie per kg

Nadelen

  • Beperkte levensduur door oxidatie/contaminatie van elektrodes en membraan
  • Hogere efficiëntie betekent groter formaat en/of hogere temperatuur
  • Opslag brandstof is lastig (er is hoge druk of lage temperatuur nodig om waterstof vloeibaar te houden)
  • Productie brandstof (lage efficiëntie en milieubelastend)
  • Elektrodes duur (Platina schaarste)
  • (nog) Duur in verhouding tot accu’s en verbrandingsmotoren

Milieuaspecten

Brandstofcellen zelf zijn, met waterstof als brandstof, totaal emissieloos, met enkel H2O als restproduct. Als methanol gebruikt wordt als brandstof is er wel een uitstoot van CO2. Daartegenover staat dat de productie van waterstof en methanol op dit moment behoorlijk milieubelastend is; voor het elektrolyseproces is een behoorlijke hoeveelheid energie nodig, die meestal opgewekt wordt uit fossiele brandstoffen. Zou de elektriciteit hiervoor komen van een duurzamer energiebron, dan is de brandstofcel een weinig milieubelastend product.

Leveranciers en kenniscentra

Producenten

Kenniscentra

Binnen UTwente

  • Dr. Bernard A. Boukamp, Associate Professor with IMS group (TNW), Research on SOFC materials, Electrochemical Impedance Spectroscopy. Fundamenteel onderzoek naar brandstofcellen
  • Dr.Ir D.C. (Kitty) Nijmeijer, Head research group MST, membrane research. Doet onderzoek naar de membranen die in brandstofcellen worden gebruikt.
Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen