Goedkope, door diesel aangedreven, brandstofcellen

Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie. In tegenstelling tot bij fossiele brandstoffen en dergelijke wordt de chemische energie van de grondstoffen niet eerst omgezet in thermische energie en daarna wordt deze thermische energie omgezet in mechanische (kinetische) energie. Deze mechanische energie wordt dan in een laatste stap omgezet in elektrische energie. Met brandstofcellen kunnen deze twee tussenstappen tussen chemische en elektrische energie overgeslagen worden. Dit zorgt ervoor dat er nauwelijks verliezen optreden in een brandstofcellen. Dit fundamenteel verschil maakt brandstofcellen dan ook zoveel interessant, zeker in vergelijking met verbrandingsprocessen. Bijvoorbeeld, wanneer men fossiele brandstoffen gebruikt om elektriciteit te gaan opwekken, dan gaat er in de meeste gevallen meer dan de helft van de energie verloren onderweg. En dus is de hoeveelheid elektrische energie die op het einde bekomen worden een heel stuk kleiner dan de hoeveelheid energie die erin gestoken geweest is. Het proces die zich in brandstofcellen plaatsvindt zou dus uitstekend zijn voor elektriciteitsproductie. Op het eerste zicht lijkt een brandstofcel op een batterij of accu, toch is er een belangrijk verschillen. Namelijk in een brandstofcel kunnen de stoffen die nodig zijn bij de reactie waarbij er elektriciteit geproduceerd wordt aangevuld worden. Terwijl bij een batterij deze stoffen niet bereikbaar zijn zonder de batterij stuk te maken.

Bij een brandstofcel wordt waterstof en zuurstof afzonderlijk van elkaar toegevoerd. het waterstof bij de anode en het zuurstof bij de kathode. In de cel worden deze twee stoffen door een membraan gescheiden. Met behulp van een katalysator wordt het waterstof aan de anode gesplitst in twee protonen (H+) en twee elektronen (e-). De elektronen stromen vervolgens via een elektrisch circuit naar de kathode. Deze stroom elektronen vormen dus een elektrische stroom waarvan de elektrische energie benut kan worden voor andere toepassingen. De gevormde protonen stromen dan door het elektrolyt en het membraan van de anode naar de kathode. Bij de kathode komen de elektronen en de protonen weer samen. Maar nu gaan ze geen waterstof meer vormen. Dit doordat er zuurstof aanwezig is en dus gaat er water in de plaats gevormd worden. En dus verkrijgt men op deze manier elektrische energie zonder dat er grondstoffen verbrandt moeten worden of dat er CO2 vrijkomt. Maar toch hebben brandstofcellen met een probleem te kampen. Namelijk dat de grondstoffen die nodig zijn voor dit proces niet in grote hoeveelheden voorkomen in de natuur. Het gaat hier niet zozeer over de zuurstof maar uiteraard over het waterstofgas. Er bevinden zich geen grote voorraden waterstofgas op aarde en dus moet dit via een ander proces in voldoende grote hoeveelheid geproduceerd kunnen worden. En in het algemeen zijn er twee verschillende manieren om waterstofgas te produceren. De eerste manier is om dit te gaan doen via elektrolyse van water. Hierbij wordt water opgesplitst in waterstofgas en zuurstof onder invloed van een elektrische stroom. De tweede manier om waterstofgas te produceren is via de reforming van koolwaterstoffen. Hier wordt een koolwaterstof in aanwezigheid van stoom en/of zuurstof en eventueel een katalysator omgezet in een waterstofrijk mengsel. Tot nu toe verkiest men steeds de reforming van koolwaterstoffen voor elektrolyse voor de productie van waterstofgas. Namelijk omdat het eerst en vooral een goedkopere methode is maar daarnaast ook omdat de snelheid waarmee het waterstofgas geproduceerd wordt veel groter dan bij elektrolyse.

Dus een brandstofcel biedt dus eigenlijk de mogelijkheid voor een efficiënter gebruik van de energie afkomstig van fossiele brandstoffen. En deze mogelijkheid heeft een Noorse bedrijf benut. Nordic Power Systems, heeft een nieuw soort brandstofcel ontwikkeld namelijk een brandstofcel waarmee er elektriciteit opgewekt kan worden aan de hand van diesel. Deze brandstofcel hebben ze samen met SAFCell ontwikkeld. SAFCell is een spin-off bedrijf van Caltech en het is daar dat men deze brandstofcellen heeft bedacht en uitgewerkt. De brandstofcellen zijn 'solid-acid fuel cells' ofwel 'vaste zuren brandstofcellen maar deze zijn momenteel nog in de beginfase van hun ontwikkeling. Volgens SAFCell, is de werking van deze brandstofcellen nog eenvoudiger dan die van bij de conventionele brandstofcellen. Daarnaast kunnen de verschillende componenten van veel goedkopere materialen gemaakt worden. En momenteel vermoeden de onderzoekers dat, door deze goedkopere materialen, deze brandstofcellen 'goedkopere' elektriciteit zullen kunnen gaan opwekken dan dat de huidige ultra-efficiënte elektriciteitscentrale dat kunnen. Momenteel zorgt de kostprijs van brandstofcellen ervoor dat deze nog niet echt veel gebruikt worden. En wanneer men dan toch brandstofcellen gebruikt, dan gaat het vooral over niche-toepassingen, bijvoorbeeld voor noodstroom bij elektriciteitspannes.

Bij deze nieuwe brandstofcellen van Nordic Power Systems en SAFCell wordt er waterstofgas geproduceerd van diesel via reforming. In de brandstofcel zelf wordt er diesel opgewarmd, zonder dat het verbrandt, en daarna wordt de opgewarmde diesel gemengd met lucht en stoom. Hierdoor wordt er dus waterstofgas geproduceerd. Dit waterstofgas dient dan als 'brandstof' voor de productie van elektriciteit. Dit vindt ook in de brandstofcel plaats, zodat er dus langs de ene kant diesel in gaat en langs dan andere kant komt er dan elektriciteit uit. Tot nu toe was het steeds zo dat het waterstofgas niet veel onzuiverheden mocht bevatten anders zou dit problemen gaan opleveren in de brandstofcel. Maar hier bij deze brandstofcel mag het waterstofgas wel een grote hoeveelheid onzuiverheden bevatten. De onzuiverheden zullen in de brandstofcel geen schade aanrichten. In brandstofcellen wordt er bij de verschillende reacties ook steeds een gedeelte warmte geproduceerd, uiteraard in deze hoeveelheid warmte aanzienlijk minder dan bij verbrandingsprocessen. Maar bij de keuze van de materialen die men zal gebruiken voor de brandstofcellen moet deze warmte steeds ook in rekening gebracht worden. De materialen moet in een bepaalde mate hittebestendig zijn. Bij deze nieuwe brandstofcel is de hoeveelheid warmte die er geproduceerd wordt heel wat kleiner dan bij de conventionele brandstofcellen. En dit leidde ertoe dat er veel goedkopere materialen gebruikt kunnen worden in deze brandstofcel.

Het concept achter solid-acid fuel cells is al een tijdje geleden bedacht, namelijk zo'n 10 jaar geleden werden deze voor het eerst gedemonstreerd. Deze 'vaste-zuren' geleiden uitstekend waterstof-ionen of dus protonen (H+). Maar deze vaste zuren lossen namelijk wel op in water en dit is een irritant probleem, zeker wanneer er water gevormd wordt bij de reactie die in de brandstofcel zelf plaatsvindt. Maar Sossina Haile, professor in materiaalwetenschappen en chemische ingenieurswetenschappen, bedacht een oplossing voor dit probleem waardoor dit type brandstofcellen terug interessant werden voor praktisch gebruikt. De oplossing bestond eruit om de temperatuur bij deze brandstofcellen voldoende hoog te houden zodat het water dat gevormd wordt direct verdampt tot stoom. En deze vaste zuren gaan niet oplossen in stoom. De temperatuur in deze nieuwe brandstofcellen bedraagt zich rond de 250°C in plaats van 90°C zoals in andere types brandstofcellen.

Daarnaast kan niet alleen diesel gebruikt worden in deze brandstofcellen, maar er kan evengoed bio-diesel of andere brandstoffen gebruikt worden voor de productie van het waterstofgas. Deze breed gamma aan mogelijke brandstoffen die gebruikt kunnen worden zorgt voor een extra voordeel. Namelijk aangezien men dus niet afhankelijk is van de beschikbaarheid van één soort brandstof. Om de kostprijs van deze nieuwe brandstofcellen verder te drukken probeert men de hoeveelheid platina, die gebruikt wordt als katalysator, verder terug te dringen. Aangezien platina onder andere ook gebruikt wordt in juwelen is de kostprijs van het materiaal vrij hoog. In de verdere ontwikkeling van deze brandstofcellen zal men een platina-palladium legering gebruiken in de plaats en daarnaast zal men een speciale depositie-methode gaan gebruiken om de hoeveelheid van het materiaal tot het minimum te beperken. Maar zelfs met deze maatregelen is de kostprijs van de katalysator eigenlijk nog steeds te groot, daarom zijn de onderzoekers op zoek naar andere materialen die kunnen dienen als katalysator in de brandstofcel. Een andere mogelijkheid om de kostprijs te drukken is door het platina te gaan recycleren en in nieuwe brandstofcellen gaan gebruiken. Zo zouden de 'oude' brandstofcellen van dit type teruggebracht worden naar de fabrikant. Daar wordt het platina gerecycleerd en gebruikt bij de productie voor nieuwe brandstofcellen. Dan moet de koper, net als bij statiegeld op glazen flessen, niet ook het platina kopen wanneer hij een brandstofcel aankoopt. Bij dit systeem betaald de koper van een brandstofcel een soort waarborg voor het platina en deze krijgt hij dan terug wanneer hij de brandstofcel terugbrengt naar de fabrikant. Op deze manier kunnen deze nieuwe brandstofcellen een zeer goedkope en efficiënte manier worden om de energie-inhoud van zowel fossiele als bio-brandstoffen te benutten.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [theengineer]