brandstofCel - Chemische Feitelijkheden
brandstofCel - Chemische Feitelijkheden brandstofCel - Chemische Feitelijkheden
4 De Basisb r a n d s t o f c e l Chemische Feitelijkheden | juni 2007Eind negentiende eeuw verloor de brandstofcel de strijd met de verbrandingsmotor.Dankzij NASA kreeg de techniek een nieuwe kans. Het hart van de cel,het elektrolyt, bepaalt de mogelijkheden en beperkingen.Energie uit chemieEen stroompje door een glas waterlevert waterstofgas en zuurstofgas.Het is het bekende elektrolyseproefjein de scheikundelokalen. DeBritse jurist en natuurwetenschapper SirWilliam Robert Grove paste begin negentiendeeeuw dit principe toe om waterstofte maken voor zijn experimenten. Hijwas vooral geïnteresseerd in batterijenen zocht naar een ontwerp dat de meesteelektriciteit opleverde. Daarbij stuitte hijop een artikel van de Zwitserse schei- ennatuurkundige Christian Schönbein, dieschreef dat hij elektriciteit had opgewektuit de chemische reactie tussen waterstofen zuurstof op plaatjes platina.Grove realiseerde zich onmiddellijk hetpraktische nut van deze omgekeerde elektrolyseen in 1843 publiceerde hij over deeerste ‘gasbatterij’. Die bestond uit eenserie cellen van telkens één buis gevuldmet zuurstof en een tweede met waterstofin een bekerglas met zwavelzuur en eenplatina staafje. Eén cel leverde ongeveer1 volt aan spanning. Grove’s gasbatterij,die later brandstofcel werd gedoopt, kreegVerschillendetoepassingenvoor verschillendetypenbrandstofcellenin 1875 concurrentie van de verbrandingsmotor.Die bleek al snel veel krachtiger,lichter en minder storingsgevoelig.De brandstofcel leek dan ook als voetnootin de techniekgeschiedenis te eindigen.Totdat de Amerikaanse NASA eindjaren zestig van de vorige eeuw ernstigverlegen zat om een nieuw soort energievoorzieningaan boord van ruimtevaartuigen.Bestaande batterijen en accu’s warente zwaar, zonnecellen te duur en kernenergieaan boord van een raket was onacceptabel.Een brandstofcel bleek betrouwbaaren leverde met wat aanpassingen voldoendeelektriciteit. De afvalstof, water,konden de astronauten drinken.Elektrochemisch apparaatEen brandstofcel is een elektrochemischapparaat dat net als een batterijen een accu chemische energie omzet inelektrische energie. Aan de elektroden(anode en kathode) vinden oxidatie- enreductiereacties plaats. Omdat de elektrodengescheiden zijn, wordt aan de ene eennegatieve lading opgebouwd en aan deelektrolyt maakt het verschilPEM FC DMFC SOFC AFCNaamProton Exchange Direct Methanol Solid Oxide AlkalineMembraneBrandstof H 2 methanol H 2 , CO H 2Elektrolyt H + geleidend H + geleidend vast oxide kaliumhydroxidepolymeer polymeerMobiele ion H + H + O 2- OH -andere een positieve. De elektrische energiekan aan de reacties worden onttrokkendoor een stroomkring aan te brengen. Ditgebeurt met een elektrolyt die het ladingtransporttussen beide elektroden mogelijkmaakt, zodat de stroomkring sluit.Anders dan een batterij of accu, raakt eenbrandstofcel tijdens gebruik niet leeg,omdat voortdurend nieuwe brandstof vanbuiten wordt aangevoerd.Het principe van de hedendaagse brandstofcellenis niet wezenlijk anders danGrove’s gasbatterij: een cel met een anodeplus kathode, met daartussen een elektrolyt.De anode wordt gevoed met waterstof,de kathode met zuurstof. Buitenom loopteen elektriciteitsdraad. Een katalysator,bijvoorbeeld platina, splitst waterstof (H 2 )in protonen en elektronen. De protonengaan door de elektrolyt naar de kathode,terwijl de elektronen door de draad stromen.Bij de kathode komen protonen enelektronen weer bij elkaar en reagerenmet zuurstof (O 2 ), waarbij water ontstaat.Eén cel levert nog steeds maar een spanningvan amper 1 volt. Dat is in de praktijkte weinig. Door meerdere cellen inserie aan te sluiten kan een grotere spanningworden verkregen. Zo’n rij van vaakenkele tientallen cellen heet een stack.soorten en matenVoor allerlei verschillende toepassingenzijn inmiddels vele soortenbrandstofcellen ontwikkeld. Ze wordenvernoemd naar de aard van de gebruikteelektrolyt, die het hart vormt van de cel.De elektrolyt bepaalt de mogelijkheden énbeperkingen. Zo wordt in de ruimtevaartde alkaline fuel cell (AFC) gebruikt metkaliumhydroxide, en voor vervoermiddelenvooral de proton exchange membrane
Chemische Feitelijkheden | editie 53 | nummer 236hoe werkt een brandstofcelDe Basis5b r a n d s t o f c e lC e l l e n s ta p e l e nProton Exchange Membrane (PEMFC)waterstof(H2)waterstofwordthergebruiktH 2H 2platina platinaanode elektrolyt kathode2H + + 2e-O 2 + 4H + + 4e-eeeeeeHHHHeeOOO 2H 2Ozuurstof (O 2 )uit luchtwarmte (85 °C)lucht enwater2H 2 ODe brandstofcel bevattwee poreuze koolstofelektrodesdie verbonden zijndoor een elektrolyt. Op deelektrode is een dun laagjeplatina als katalysator aangebracht.Aan de anodewordt waterstof toegevoerddat gesplitst wordtin protonen en elektronen.De elektronen leverenstroom in het externe circuit;de protonen gaan viaeen protonselectief membraan(Proton ExchangeMembrane) naar de kathode.Aan de kathode wordtzuurstof (lucht) aangevoerddat met de protonenreageert tot water. |H2 O2H2 O2 H2 O2H + H + H +e- e-0 V 0,7 V 1,4 V 2,1 VEen enkele brandstofcel produceert genoegelektriciteit (tussen 0,5 en 0,9 V) voor enkelde kleinste toepassing. Daarom wordenbrandstofcellen ook wel in serie samengevoegdtot een brandstofcelstapeling (stack).Een brandstofcel-stack kan uit honderdenbrandstofcellen bestaan. |Brandstofcelbestaande uitenige tientallencellengestapeld toteen stack.fuel cell (PEMFC) met een protongeleidendpolymeer. Om protonen door telaten van de anode- naar de kathodezijdebevat deze elektrolyt zure groepen in eenwaterig medium. Behalve deze hydrofieleplaatsen heeft het polymeer ook hydrofoberegio’s die ervoor zorgen dat aan dekathodezijde het gevormde water wordtafgevoerd. Voor de mechanische sterktezijn polymeerketens nodig. Behalve intransporttoepassingen wordt de PEM ookgebruikt in de direct methanol fuel cell(DMFC). Deze cel is gebaseerd op methanolin plaats van waterstof en wordttoegepast in laptops en mobieltjes alsvervanger van batterijen. Methanol levertde protonen aan de anodezijde. Doordatmethanol ook koolstofatomen bevat komtfluorkoolstofhoofdketenzijketenCF 2 CF 2 CFmCF 2nOCF 2CF CF 3 zOCF 2CF 2SO – 3 H +sulfonaatgroepselectief ProtontransportNafion ®bij de werking van deze brandstofcelkoolstofdioxide vrij, maar de uitstoot is bijdeze miniatuurbrandstofcellen zeer laag.De hoge-temperatuur solid oxide fuel cell(SOFC) is niet geschikt voor aandrijvingvan een auto, omdat deze cel optimaalopereert bij een temperatuur van ongeveer800 °C. Bij gebruik in auto’s zouhet veel te lang duren eer deze temperatuuris bereikt en de auto kan wordengestart. Dit type cel is ontwikkeld voortoepassing in een mini-elektriciteitscentrale.Bijvoorbeeld in een huis of eenkleine woonwijk, of als hulpvermogen inkoelvries-vrachtwagens die ook elektriciteitnodig hebben als de motor stilstaat.Het vaste oxide-elektrolyt in een SOFCis bijvoorbeeld zirconia (ZrO 2 ) gemengdhydrofoobhydrofiele ruimtenH 2 O H 3 O +SO3 -SO3 - SO3 -SO3 - SO3 - SO3 -proton transportNafion ® is een veelgebruikt elektrolyt in de proton exchange membrane (PEM) brandstofcel. Hetpolymeer bestaat uit het volledig gefluorideerde materiaal Teflon (polytetrafluoroetheen) waaraansulfonaatgroepen zijn gekoppeld. Teflon is zeer hydrofoob, de sulfonaatzijketens zijn hydrofiel. Delaatste zoeken elkaar op zodat er hydrofiele kanalen ontstaan waar de protonen doorheen wordengetransporteerd. De rest van het membraan is hydrofoob. Nafion ® is een merknaam van hetmateriaal. Het wordt geproduceerd door DuPont.met yttria (Y 2 O 3 ). De redoxreactie dieplaatsvindt aan de elektroden is andersdan in de PEM-cel: aan de kathode wordenzuurstofionen gevormd (O 2- ), aande anode kunnen verschillende reactiesplaatsvinden – onder andere van koolmonoxidemet waterstof tot water enkooldioxide. Hierdoor is het mogelijk eenSOFC niet alleen met zuivere waterstofte voeden maar ook met synthesegas,een mengsel van koolmonoxide (CO) enwaterstof (H 2 ) dat kan worden gemaaktuit fossiele brandstoffen zoals aardgas,diesel of kerosine.Hoog rendementIn een brandstofcel vindt geen verbrandingplaats, maar wordt waterstofrechtstreeks omgezet in elektriciteit. Dezeelektrochemische reactie van waterstofmet zuurstof verloopt veel efficiënter daneen klassieke verbranding, waarbij energiein de vorm van warmte vrijkomt. Inde zogeheten Carnot-cyclus wordt de chemischeenergie namelijk eerst omgezetin warmte en pas daarna in bijvoorbeeldelektrische energie. Tijdens deze laatstestap treden altijd grote verliezen op,omdat maar een deel van de warmte kanworden omgezet. De directe omzettingleidt tot een uitzonderlijk hoog rendement.Een auto met brandstofcel benut95 procent van de energie-inhoud vanwaterstof, terwijl de verbrandingsmotorin een benzineauto nauwelijks 40 procentvan de energie weet om te zetten in nettobeweging. |
- Page 6 and 7: 6 De diepteb r a n d s t o f c e l
- Page 8: 8 Aanvullende informatieb r a n d s
<strong>Chemische</strong> <strong>Feitelijkheden</strong> | editie 53 | nummer 236hoe werkt een brandstofcelDe Basis5b r a n d s t o f c e lC e l l e n s ta p e l e nProton Exchange Membrane (PEMFC)waterstof(H2)waterstofwordthergebruiktH 2H 2platina platinaanode elektrolyt kathode2H + + 2e-O 2 + 4H + + 4e-eeeeeeHHHHeeOOO 2H 2Ozuurstof (O 2 )uit luchtwarmte (85 °C)lucht enwater2H 2 ODe brandstofcel bevattwee poreuze koolstofelektrodesdie verbonden zijndoor een elektrolyt. Op deelektrode is een dun laagjeplatina als katalysator aangebracht.Aan de anodewordt waterstof toegevoerddat gesplitst wordtin protonen en elektronen.De elektronen leverenstroom in het externe circuit;de protonen gaan viaeen protonselectief membraan(Proton ExchangeMembrane) naar de kathode.Aan de kathode wordtzuurstof (lucht) aangevoerddat met de protonenreageert tot water. |H2 O2H2 O2 H2 O2H + H + H +e- e-0 V 0,7 V 1,4 V 2,1 VEen enkele brandstofcel produceert genoegelektriciteit (tussen 0,5 en 0,9 V) voor enkelde kleinste toepassing. Daarom wordenbrandstofcellen ook wel in serie samengevoegdtot een brandstofcelstapeling (stack).Een brandstofcel-stack kan uit honderdenbrandstofcellen bestaan. |Brandstofcelbestaande uitenige tientallencellengestapeld toteen stack.fuel cell (PEMFC) met een protongeleidendpolymeer. Om protonen door telaten van de anode- naar de kathodezijdebevat deze elektrolyt zure groepen in eenwaterig medium. Behalve deze hydrofieleplaatsen heeft het polymeer ook hydrofoberegio’s die ervoor zorgen dat aan dekathodezijde het gevormde water wordtafgevoerd. Voor de mechanische sterktezijn polymeerketens nodig. Behalve intransporttoepassingen wordt de PEM ookgebruikt in de direct methanol fuel cell(DMFC). Deze cel is gebaseerd op methanolin plaats van waterstof en wordttoegepast in laptops en mobieltjes alsvervanger van batterijen. Methanol levertde protonen aan de anodezijde. Doordatmethanol ook koolstofatomen bevat komtfluorkoolstofhoofdketenzijketenCF 2 CF 2 CFmCF 2nOCF 2CF CF 3 zOCF 2CF 2SO – 3 H +sulfonaatgroepselectief ProtontransportNafion ®bij de werking van deze brandstofcelkoolstofdioxide vrij, maar de uitstoot is bijdeze miniatuurbrandstofcellen zeer laag.De hoge-temperatuur solid oxide fuel cell(SOFC) is niet geschikt voor aandrijvingvan een auto, omdat deze cel optimaalopereert bij een temperatuur van ongeveer800 °C. Bij gebruik in auto’s zouhet veel te lang duren eer deze temperatuuris bereikt en de auto kan wordengestart. Dit type cel is ontwikkeld voortoepassing in een mini-elektriciteitscentrale.Bijvoorbeeld in een huis of eenkleine woonwijk, of als hulpvermogen inkoelvries-vrachtwagens die ook elektriciteitnodig hebben als de motor stilstaat.Het vaste oxide-elektrolyt in een SOFCis bijvoorbeeld zirconia (ZrO 2 ) gemengdhydrofoobhydrofiele ruimtenH 2 O H 3 O +SO3 -SO3 - SO3 -SO3 - SO3 - SO3 -proton transportNafion ® is een veelgebruikt elektrolyt in de proton exchange membrane (PEM) brandstofcel. Hetpolymeer bestaat uit het volledig gefluorideerde materiaal Teflon (polytetrafluoroetheen) waaraansulfonaatgroepen zijn gekoppeld. Teflon is zeer hydrofoob, de sulfonaatzijketens zijn hydrofiel. Delaatste zoeken elkaar op zodat er hydrofiele kanalen ontstaan waar de protonen doorheen wordengetransporteerd. De rest van het membraan is hydrofoob. Nafion ® is een merknaam van hetmateriaal. Het wordt geproduceerd door DuPont.met yttria (Y 2 O 3 ). De redoxreactie dieplaatsvindt aan de elektroden is andersdan in de PEM-cel: aan de kathode wordenzuurstofionen gevormd (O 2- ), aande anode kunnen verschillende reactiesplaatsvinden – onder andere van koolmonoxidemet waterstof tot water enkooldioxide. Hierdoor is het mogelijk eenSOFC niet alleen met zuivere waterstofte voeden maar ook met synthesegas,een mengsel van koolmonoxide (CO) enwaterstof (H 2 ) dat kan worden gemaaktuit fossiele brandstoffen zoals aardgas,diesel of kerosine.Hoog rendementIn een brandstofcel vindt geen verbrandingplaats, maar wordt waterstofrechtstreeks omgezet in elektriciteit. Dezeelektrochemische reactie van waterstofmet zuurstof verloopt veel efficiënter daneen klassieke verbranding, waarbij energiein de vorm van warmte vrijkomt. Inde zogeheten Carnot-cyclus wordt de chemischeenergie namelijk eerst omgezetin warmte en pas daarna in bijvoorbeeldelektrische energie. Tijdens deze laatstestap treden altijd grote verliezen op,omdat maar een deel van de warmte kanworden omgezet. De directe omzettingleidt tot een uitzonderlijk hoog rendement.Een auto met brandstofcel benut95 procent van de energie-inhoud vanwaterstof, terwijl de verbrandingsmotorin een benzineauto nauwelijks 40 procentvan de energie weet om te zetten in nettobeweging. |
Change language