Brandstofcellen grondslagen

Hoewel soms de indruk gewekt wordt dat de brandstofcel een ‘recent ontdekte technologie’ is, is dit duidelijk niet het geval: de ‘ontdekking’ van de brandstofcel door Sir William Grove dateert van 1837 (!) en is dus inmiddels meer dan anderhalve eeuw oud.

Een brandstofcel is een elektrochemisch systeem waarin chemische energie direct wordt omgezet in elektriciteit zoals weergegeven in het schema.. De chemische energie die aanwezig is in het koppel van reactanten brandstof en oxidans (bv. waterstof en zuurstof of lucht) wordt via een elektrochemische weg omgezet in elektrische energie onder de vorm van spanning en stroom zonder dat er een verbranding bij te pas komt. Naast de elektrische energie worden tevens warmte en water gevormd.

 

Een brandstofcel zelf bestaat uit twee elektrodes (anode en kathode) en een elektrolyt tussen beide elektrodes. Een elektrolyt heeft de eigenschap van ionen te kunnen geleiden en geen geleider te zijn van elektronen.

In het geval van een brandstofcel met een zuur elektrolyt vinden de volgende elementaire elektrochemische reacties plaats. Aan de anode vindt de oxidatie van de brandstof (bv. waterstof) plaats, wat betekent dat waterstofmoleculen (H₂) gesplitst worden in 2 waterstofprotonen (2 H⁺) en twee elektronen (2 e^-). De waterstofionen bewegen zich door de elektrolyt (bv. een ionengeleidend membraan of vloeistof) en de elektronen verplaatsen zich via een extern aangebrachte elektrische belasting naar de kathode. Ondertussen worden aan de kathode van de brandstofcel zuurstofmolecule (O₂) gereduceerd tot zuurstofionen (O^2-) onder opname van de elektronen die afkomstig zijn van  de anode. Samen met de via de elektrolyt aangevoerde waterstofionen wordt in een zure brandstofcel aan de kathode water gevormd.  In de meeste brandstofcellen kan aan de kathode lucht toegevoerd worden in plaats van zuivere zuurstof; uit de lucht wordt enkel de zuurstof verbruikt.

Werkingsprincipe van een zure brandstofcel

Als we één cel beschouwen en met gebruik van waterstof en zuurstof of lucht als reactanten is de aan de klemmen geleverde spanning ongeveer 0,6 V bij een stroomdichtheid van bv. 400 mA per cm² elektrode-oppervlak.  De thermodynamische openkringklemspanning bedraagt ongeveer 1,23 V. Omwille van een aantal ongewenste nevenreacties beperkt de nullastspanning zich tot ongeveer 0,95 V.

Om tot ‘bruikbare’ spanningen en vermogens te komen worden een aantal cellen in serie en parallel geschakeld. De resulterende stapeling noemt men een brandstofcel-stack. Zo levert een stack bestaande uit 50 cellen in serie met per cel een werkzaam oppervlak van 400 cm² een elektrisch vermogen van 4,8 kW (30 V bij 160 A) en een openkring- of nullastspanning van ongeveer 47,5 V.

Brandstofcellen kunnen ook werken met andere brandstoffen dan waterstof zoals aardgas, methanol, ammoniak…. Rechtstreeks gebruik van deze brandstoffen is elektrochemisch zeer moeilijk omwille van de complexe elektrokatalyse.  Daarom wordt de brandstof voorbehandeld in een reformer vooraleer in de brandstofcelstack te gaan. Een brandstofreformer kraakt de brandstof tot een zogenaamd reformaatgas dat rijk is aan waterstof.