Technisch Weekblad, nr 50, 15 december 2012
Rijkert Knoppers 

Sinds brandstofcellen binnen de ruimtevaart een belangrijke rol speelden in de energievoorziening zijn de verwachtingen rondom deze toepassing tot vandaag de dag hoog gespannen. Rijden we straks elektrisch met een brandstofcel aan boord en hebben we straks thuis een dergelijke installatie voor het leveren van warmte en stroom of zal het zo’n vaart niet lopen?

 Het Japanse elektronicabedrijf Rohm gaat samen met het eveneens in Kyoto gevestigde Aquafairy Corp en de Kyoto Universiteit een smartphone ontwikkelen, die de benodigde elektriciteit krijgt van een brandstofcel. Het gaat bij de brandstofcel om een verbetering van een prototype uit 2006, voor de opslag van de benodigde waterstof is calcium hybride gebruikt. De met brandstofcel uitgeruste smartphone is in november op een elektronicabeurs in München te zien, het eerste commerciële model zal naar verwachting in 2013 op de markt verschijnen.

Toyota heeft een brandstofcel ontwikkeld voor een waterstofauto met een energiedichtheid van 3 kW per liter, een wereldwijd record. De dichtheid van de nieuwe brandstofcel is hiermee een factor twee hoger dan de brandstofcel, die Toyota in haar huidige experimentele waterstofauto’s in gebruik heeft. Een ander voordeel is dat het apparaat vooral dankzij het gebruik van geavanceerde elektroden maar half zo klein is. 

Op de campus van de Amerikaanse University of California Santa Barbara (UCSB) is een stationaire brandstofcel van 200 kW geïnstalleerd, die jaarlijks 1.75 miljoen kilowattuur elektriciteit aan het elektriciteitsnet gaat leveren, genoeg voor 160 Amerikaanse gezinnen. Het systeem is erg zuinig, terwijl de uitstoot aan stikstofoxide en zwaveldioxide vrijwel nihil is, de installatie verbruikt bovendien 99,99 procent minder water dan een gangbare elektriciteitscentrale.

Dit zijn zomaar drie recente voorbeelden van brandstofcellen, die ervan getuigen dat de belangstelling voor de brandstofcel nog steeds leeft. En dat is niet voor niets, want de vinding van de Zwitserse chemicus Christian Friedrich Schönbein uit het jaar 1838 heeft als aantrekkelijke eigenschap, dat het in staat is om geluidloos en zonder schadelijke emissies elektriciteit te produceren, bijvoorbeeld uit waterstof. 

De brandstofcel staat nog steeds hoog op de agenda, erkent dr. ir. Jurgen Ganzevles, maar daarin schuilt volgens hem ook een potentieel probleem: ‘Er zijn in het verleden tal van veelbelovende energieconversie technieken ontwikkeld, zoals kernenergie en diverse duurzame energiebronnen,’ aldus Ganzevles, die als onderzoeker verbonden is aan het Rathenau Instituut te Den Haag, ‘je ziet telkens dat de verwachtingen heel hoog gespannen zijn, de nieuwe technieken zouden in staat zijn om diverse problemen in een keer op te lossen. Maar vervolgens ontstaat er op een gegeven moment een tegenreactie uit bijvoorbeeld de hoek van de wetenschap of journalistiek. Bij de brandstofcel staat bijvoorbeeld het groene karakter heel erg in de etalage, maar de vraag hoe je de benodigde waterstof produceert blijft buiten schot. Je kan verwachten dat de bezorgdheid hieromtrent toe zal nemen.’ Door teveel te benadrukken dat het gebruik van brandstofcellen over de gehele linie duurzaam zou zijn, ontstaat het gevaar dat daarmee potentiële toepassingen buiten schot blijven. ‘Als de betreffende techniek op grotere schaal in gebruik gaat, krijg je de oorspronkelijke beloftes als een boemerang terug,’ aldus Ganzevles, ‘dat zie je bijvoorbeeld met het gebruik van biomassa, waarbij opeens de problematiek rond de concurrentie met de voedselproductie aan de orde kwam. Dezelfde discussie zou ook bij de brandstofcel kunnen spelen, bijvoorbeeld omdat er zijn plannen zijn om de benodigde waterstof uit biomassa te maken.’ Volgens Ganzevles zou het een goed idee zijn, om net zoals bij ‘groene elektriciteit’ ook het begrip ‘groene waterstof’ te introduceren, om zo een onderscheid te maken ten opzichte van de niet-duurzaam geproduceerde ‘grijze’ waterstof. 

Opslag
Wie brandstofcel wil gebruiken zal de benodigde brandstof moeten opslaan. In het geval van waterstof zijn er in principe een groot aantal opslagmethoden, bijvoorbeeld als gecomprimeerd gas, in vloeibare toestand of als metaalhydride. In de praktijk zijn er tot nu toe drie mogelijkheden uitvoerig beproefd: waterstof gebonden aan een metaalhydride, vloeibare waterstof en gasvormige waterstof onder druk. In het eerste geval absorbeert een metaalverbinding waterstof onder druk, bij verwarming komt de waterstof weer vrij. Doordat de waterstof chemisch gebonden is, gaat het hier om een inherent veilige methode, die veel ruimte bespaart. Dit laatste komt doordat er geen opslag van waterstofmoleculen maar van waterstofatomen plaatsvindt. De waterstofatomen zijn opgesloten in de tussenruimten van het metaalrooster. ‘Een belangrijk voordeel van metaalhydriden is dat het mogelijk is om een grote hoeveelheid waterstof in een klein volume op te slaan,’ verduidelijkt Bernard Dam hoogleraarMaterials for Energy Conversion and Storage aan de TU Delft. ‘Waterstof neemt in een metaalhydride tank slechts een derde van de ruimte in beslag vergeleken met opslag in een tank onder druk van 700 bar. Ook voor stationaire toepassingen hebben metaalhydride voordelen, je zou anders met grote hoeveelheden gasflessen moeten werken, wat erg onhandig is. Metaalhydride systemen hebben echter een relatief ingewikkelde warmtehuishouding, zo komt er warmte vrij bij de absorptie van waterstof, terwijl het vrijmaken van de waterstof opnieuw warmte vraagt. In auto’s is de restwarmte van de brandstofcel hiervoor te gebruiken.’ 

Een andere optie is het opslaan van waterstof in vloeibare toestand, een methode die tot voor enkele jaren geleden uitvoerig door BMW is beproefd in verband met de ontwikkeling van brandstofcelauto’s. Om waterstof vloeibaar te maken is een druk van bijvoorbeeld 5 bar en een zeer lage temperatuur van ongeveer min 250 graden Celsius nodig. Ondanks een goed geïsoleerde tank is het moeilijk de lage temperatuur langdurig te handhaven en zal de waterstof na verloop van tijd in de tank verdampen. Daardoor neemt de druk in de tank toe, wat boven een bepaalde waarde gevaarlijk zou kunnen uitpakken. Het laten ontsnappen van kleine hoeveelheden waterstof voorkomt een verdere stijging van de druk. ‘Deze techniek is inmiddels buiten beeld, want je verliest bij dit proces veel te veel waterstof,’ verduidelijkt Dam, ‘bovendien kost het vloeibaar maken van de brandstof de nodige energie. De meest favoriete opslagmethode is op dit moment het bewaren van waterstof onder druk van bijvoorbeeld 700 bar. Voor deze laatste techniek hebben de grote automobielfabrikanten inmiddels gekozen.’  

Aardgas
Het is niet gezegd dat brandstofcellen alleen waterstof als brandstof kunnen gebruiken, ook aardgas is bijvoorbeeld mogelijk. Zo beproeft GasTerra momenteel in een bestaande woning in het Groningse Haren een op aardgas gestookte brandstofcel voor thuisgebruik. De brandstofcel levert relatief weinig warmte, de installatie wekt vooral elektriciteit op, en wel 13.000 kWh. Dit is veel meer dan het gemiddelde verbruik van een huishouden, een groot deel van de opgewekte elektriciteit gaat dan ook naar het openbare net. ‘Het project draait al een tijd en we gaan nog een tijd door, want er hebben zich geen vervelende storingen voorgedaan,’ vertelt ir. Hans Overdiep, manager energietransitie bij Gasterra, ‘we gaan samen met netwerkbedrijf Alliander ook nieuwe projecten opstarten, zoals in Heerhugowaard, waar we vijftig brandstofcellen bij particulieren gaan plaatsen. Een bijkomstig voordeel is, dat als de belangstelling voor elektrisch vervoer groeit, de brandstofcel een prachtige oplossing biedt, want hij levert meer stroom dan een huishouden nodig heeft, dus dat overschot kan naar de elektrische auto. Dan hoef je tenminste ook de elektriciteitsnetten niet te verzwaren!’

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –
Wat is een brandstofcel?
Een brandstofcel bestaat uit een anode en kathode met daartussen een elektrolytlaag. De elektrolytlaag is een dunne, gasdichte elektrisch geïsoleerde laag die wel ionen kan doorlaten, maar geen elektronen. De anode krijgt de gasvormige waterstof toegevoerd, de kathode zuurstof. Aan de anode vindt splitsing van de waterstof plaats, bij de kathode is sprake van ontbinding van de zuurstof. De waterstofionen stromen door de elektrolyt naar de kathode, waar de waterstofionen vervolgens met de zuurstofionen reageren tot water. De elektrolyt heeft de bij de anode vrijkomende elektronen tegengehouden, de elektronen maken noodgedwongen via de elektriciteitskabels een omweg, waardoor de elektrische stroom ontstaat.
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –