Verschillen : Brandstofcel

Wiki: aldous
Gemaakt op: 23-01-2013 10:49

Revisie: autoblogger
Bewerkt op: 08-01-2013 08:42

Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie. De chemische energie hoeft dus niet eerst omgezet te worden in thermische energie en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden en de brandstofcel op een hele efficiënte manier energie opwekt. In de cel vindt een redoxreactie plaats. In dit opzicht lijkt een brandstofcel op een batterij of accu, toch is er een belangrijk verschil tussen een accu of batterij en een brandstofcel. In een brandstofcel kunnen namelijk steeds opnieuw reagentia (bijvoorbeeld: waterstof en zuurstof) van buitenaf worden aangevoerd, terwijl de reagentia in een batterij of accu opgeslagen zitten in een gesloten stelsel.
Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie direct omzetten in elektrische energie. De chemische energie hoeft dus niet eerst omgezet te worden in thermische energie en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden en de brandstofcel op een hele efficiënte manier energie opwekt.

Terwijl accu's en batterijen na verloop van tijd leeg raken (en eventueel weer moeten worden opgeladen) is er bij de brandstofcel dus sprake van een continue stroomvoorziening. Een bekend voorbeeld van een brandstofcel is de zogenaamde knalgascel. In deze cel reageren zuurstof-en waterstofgas met elkaar.
===Redoxreactie===
In de cel vindt een redoxreactie plaats. In dit opzicht lijkt een brandstofcel op een batterij of accu, toch is er een belangrijk verschil tussen een accu of batterij en een brandstofcel. In een brandstofcel kunnen namelijk steeds opnieuw reagentia (bijvoorbeeld: waterstof en zuurstof) van buitenaf worden aangevoerd, terwijl de reagentia in een batterij of accu opgeslagen zitten in een gesloten stelsel.
Inhoud

De brandstofcel bevat twee poreuze koolstofelektrodes waarop een katalysator is aangebracht. Langs beide elektrodes wordt een gasstroom van zuurstof en waterstof geleid. Als verbindende elektrolyt is een mengsel van water en kaliumhydroxide. Het eindproduct van deze reactie, water, verlaat de brandstofcel in de vorm van stoom. Een versie van dit type cel wordt oa gebruikt in de space shuttle.


===De werking===
Een brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en kathode met daartussen een elektrolytlaag. Waterstof en zuurstof worden afzonderlijk van elkaar aan de brandstofcel toegevoerd. Het waterstof bij de anode en het zuurstof (oxidator) bij de kathode. In de cel worden deze twee stoffen door een membraan gescheiden. Met behulp van een katalysator wordt het waterstof (H2) aan de anode gesplitst in twee H+-ionen (protonen) en twee elektronen (e-).

De elektronen stromen vervolgens via een elektrisch circuit naar de kathode: dit is de elektrische stroom die gebruikt kan worden om bijvoorbeeld een elektromotor mee aan te drijven. De protonen stromen door de elektrolyt naar de kathode. De protonen en elektronen komen bij de kathode weer samen en reageren daar met het zuurstof (O2) die bij de kathode wordt ingevoerd. Daarbij ontstaat water (H2O).

===Chemische reactie===
Hieronder staat een overzicht van de chemische reacties die in een brandstofcel plaatsvinden:

- Anode: H2 → 2H+ + 2e−
- Kathode: O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
- Gehele cel: 2H2 + O2 → 2H2O + energie (elektriciteit en warmte)

Een enkele brandstofcel levert in theorie een spanning van ongeveer 1,20 volt, maar in de praktijk ligt die spanning veel lager; tussen de 0,5 en 0,8 volt. Om de spanning te verhogen worden de afzonderlijke cellen op elkaar gestapeld en in serie geschakeld. De stapel die zo ontstaat wordt een "brandstofcelstack" of "stack" genoemd.


===Rendement===
In brandstofcellen zijn hogere rendementen mogelijk dan in gewone verbrandingsmotoren of stoommachines doordat de energieomzetting niet verloopt volgens de Carnotcyclus. In de Carnotcyclus wordt de chemische energie namelijk eerst in warmte omgezet en pas daarna in bijvoorbeeld elektrische energie.

===1838===
Het werkingsprincipe van de brandstofcel werd in 1838 ontdekt door de Zwitserse wetenschapper Christian Friedrich Schönbein die zijn bevindingen een jaar later publiceerde in een van de wetenschappelijke tijdschriften uit die tijd. Schönbein schreef dat hij elektriciteit had opgewekt uit de chemische reactie tussen waterstof en zuurstof op plaatjes gemaakt van platina.

===Gasbatterij===
Toen de Britse natuurkundige Sir William Robert Grove het artikel van Schönbein las, besefte hij dat de Zwitser een omgekeerde elektrolyse had uitgevoerd. Grove maakte vaker waterstof voor zijn experimenten door elektriciteit door water te voeren, dat daarop splitst in waterstofgas en zuurstof. Schönbein had daarentegen waterstof en zuurstof samengevoegd, waarbij juist elektriciteit vrijkwam. Grove bedacht een manier om die ontdekking op een praktische manier te benutten en kwam in 1843 met de eerste galvanische gasbatterij: een aantal buizen met waterstofgas en zuurstof die samen met enkele andere stoffen ongeveer 36 uur lang stroom produceerden. Deze batterij was de voorloper van wat nu de brandstofcel heet. De batterij produceerde echter te weinig elektriciteit om te kunnen concurreren met de verbrandingsmotor en verdween al snel op de achtergrond.

===5 kW===
In 1932 pakte Francis Thomas Bacon (1904-1992) en zijn groep op Cambridge het onderzoek naar de brandstofcel weer op. In 1959 demonstreerden ze hun brandstofcel van vijf kilowatt met een efficiëntieniveau van 60 procent. De cel gebruikte waterstof met een basische elektrolyt. De elektroden waren gemaakt van poreus nikkel, een goedkope metaalsoort. Rond deze tijd was ook de ruimtewedloop in volle gang en voor het Apollo-programma was de NASA op zoek naar efficiënte elektriciteitsbronnen met een hoog rendement. De alkalinebrandstofcel van Bacon was uiterst geschikt vanwege zijn hoge rendement en kleine massa en met zuiver water als afvalstof kon hij daarnaast voor drinkwater zorgen. Toch had de alkalinebrandstofcel ook enkele nadelen: de cel was erg duur en ging relatief kort mee.

Verdere technologische ontwikkeling vanaf 1980, zoals het gebruik van Nafion als elektrolyt en reductie van de hoeveelheid platina, heeft het toepassingsgebied van brandstofcellen vergroot.

Lagetemperatuurbrandstofcellen:

AFC: Alkaline Fuel Cell (alkalische brandstofcel)
DBFC: Direct Borohydride Fuel Cells
DMFC: Direct Methanol Fuel Cell (directmethanolbrandstofcel - genoemd naar de brandstof in plaats van de elektrolyt)
FAFC: Formic Acid Fuel Cell
PEM FC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell of Polymer Electrolyte Fuel Cell (vastepolymeerbrandstofcel)
Omkeerbare brandstofcel
Redox Fuel Cell
Zinc Fuel cell
MFC: Microbial Fuel Cell (biobrandstofcel)

Hogetemperatuurbrandstofcellen:

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforzure brandstofcel)
PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell (gesmoltencarbonaatbrandstofcel)
SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (vaste-oxidebrandstofcel)
Water fuel cell: motor die zou werken met water als brandstof - nooit met succes (na)gemaakt.