brandstofCel - Chemische Feitelijkheden

6 De diepteb r a n d s t o f c e l Chemische Feitelijkheden | juni 2007Brandstofcellen en waterstoftechnologie staan wereldwijd in de belangstelling.Vooral in het vervoer wordt volop geëxperimenteerd en de verwachtingen zijn hoog.Onderzoekers hebben voorlopig echter hun handen vol aan verbeterpunten.Prestatiesproefop degesteldVoertuigen met brandstofcellenbevinden zich momenteel in hetstadium van onderzoek, ontwikkelingen demonstratie. De ene na deandere autofabrikant komt met prototypen.Ze zijn schoon en stil en kunnen bijgrootschalige introductie een belangrijkebijdrage leveren aan de verbetering vanhet milieu. Maar er klinkt ook kritiek. Debrandstofcelauto zou niet snel genoegzijn en er bestaan twijfels over de veiligheidvan een waterstoftank aan boord,die bovendien veel te veel ruimte zouinnemen. De critici worden op hun wenkenbediend: verschillende fabrikantenhebben inmiddels modellen ontwikkelddie niet onderdoen voor een auto met eenverbrandingsmotor. Zo heeft de FCX vanHonda een actieradius van 400 km eneen topsnelheid van 160 km/u. De autotelt twee waterstoftanks van in totaal ruimHet rendement van de elektrochemische reactietussen waterstof en zuurstof in een brandstofcelis hoog, waardoor een voertuig met zo’ncel energiezuinig is. Omdat geen verbrandingplaatsvindt ontstaan geen stikstofoxiden, geenkoolwaterstoffen, geen roetdeeltjes en ook geenkoolstofdioxide – in elk geval niet tijdens hetrijden. Maar bij de productie van waterstof komtnatuurlijk wel CO 2 vrij wanneer het gas wordtgewonnen uit fossiele brandstoffen.Om het energieverbruik en de emissies vaneen verbrandingsmotor en een brandstofceleerlijk te vergelijken moet dan ook de completeenergieketen worden bekeken. Dat gebeurt ineen zogeheten well-to-wheel analyse, waarbijvan elke stap wordt berekend hoeveel energieverloren gaat en wat de emissies zijn.hoe schoon en hoe zuinig150 liter; bij 350 bar waterstofdruk pastdaar 3,75 kilo waterstof in.Om prestaties te verbeteren worden deauto-ontwerpen telkens aangepast. Zozijn er uitvoeringen met aan ieder achterwieleen klein elektromotortje dat extrakracht levert. Soms is ook een condensatoropgenomen om extra kracht te leverenbij het wegrijden. Dat kost natuurlijkenergie, maar die wordt terugverdienddoor hergebruik van het energieverlies tijdenshet remmen. Bij personenauto’s ligtde brandstofcel zelf meestal in een dubbelebodem onder de passagiersstoel. Dehogedruktank met waterstof hangt onderde kofferbak, waardoor er nog voldoenderuimte overblijft voor de bagage.StruikelblokIn de waterstofauto’s wordt vooralde proton-exchange-membrane (PEM)Een autorit van honderd kilometerEnergieverbruik 283 MJ 196 MJEmissies CO 2 21 kg 11 kgCO 48 g 0 gNO x 3 g 0 gHC 3 g 0 gbrandstofcel gebruikt. De levensduur vande huidige PEM-brandstofcellen bedraagttheoretisch 20.000 uur, terwijl voor eenpersonenauto 5.000 uur voldoende zouzijn. Dat komt overeen met 300.000 km.Maar bij gebruik in de praktijk (koude,hitte, droogte) blijkt de levensduur heelwat korter. Probleem is de optimalebedrijfstemperatuur van de cel. Die ligtrond de 80 °C. Dat lijkt een comfortabeletemperatuur, maar voor toepassing in eenauto zou ongeveer 120°C gewenst zijn. Bijeen groter verschil met de omgevingstemperatuurverloopt de afvoer van warmte(waardoor de cel niet té warm wordt) veelgemakkelijker. Een brandstofcel met eenhogere bedrijfstemperatuur zou de cel ende aandrijving van de auto eenvoudiger,lichter en goedkoper maken.Het protongeleidend membraan vormthet grootste struikelblok. Het tot nu toemeest geschikte materiaal, perfluorsulfonzuur(Nafion), moet verzadigd zijn metwater voor een goede geleiding van protonen.Bij hogere temperaturen verdampthet water te snel en daalt het vermogenvan de cel. Het bedrijf Gore (bekendvan het waterdichte textiel GoreTex) ontwikkeldeeen poreus polymeer van polytetrafluoroethyleen(PTFE) dat gevuld ismet perfluorosulfonzuur. Bij proeven meteen membraan van dit materiaal is al eenlevensduur van 8.000 uur bereikt. Deefficiëntie van het protontransport blijktbovendien hoger dan in Nafion. PTFEis namelijk zó sterk dat het membraanheel dun gemaakt kan worden, waardoorhet protontransport minder bijdraagt aanverlies in energieopbrengst.Het Energieonderzoek CentrumNederland (ECN) ontwikkelde samen metDSM een vergelijkbaar systeem op basisvan poreus polyethyleen, waarbij de hol-