Werking en onderhoud van een brandstofcel

Het principe van de brandstofcel werd in 1838 ontdekt door de Duits-Zwitserse natuurkundige Christian Friedrich Schönbein. Hij omspoelde twee platina draden in zwavelzuur (elektrolyt) met waterstof en zuurstof en detecteerde een elektrische spanning tussen de draden. De Britse natuurkundige Sir William Grove deed eveneens onderzoek op dit gebied. Toen al stelden veel wetenschappers dat water de steenkool van de toekomst zou kunnen zijn. Natuurlijk was er ook toen al elektriciteit nodig om waterstof te produceren. Tegenwoordig hebben we het in het beste geval over groene waterstof, geproduceerd met elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen.

Een brandstofcel is een zogenoemde energie-omvormer. De energie die bij de chemische reactie van waterstof en zuurstof vrijkomt, wordt omgezet in elektrische en thermische energie. De oxidatie van waterstof en de reductie van zuurstof wordt bereikt door de ruimtelijke scheiding met behulp van een elektrolyt. De heftige reactie van de bekende "knalgasproef", dat wil zeggen de energie die vrijkomt wanneer waterstof en zuurstof met elkaar reageren om water te vormen, kan worden gebruikt.
Er zijn verschillende soorten brandstofcellen die bijvoorbeeld aardgas of methanol als brandstof gebruiken, maar ook andere elektrolyten of oxidatiemiddelen. Het meest gebruikelijke type voor gebruik in personenauto's/vrachtwagens is echter de waterstof-zuurstofbrandstofcel, bijvoorbeeld de PEM-brandstofcel met lage werkingstemperatuur (proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), brandstofcel met protonuitwisselingsmembraan).

Het hart van de PEM-brandstofcel is de zogeheten stack. Deze stacks bevatten een groot aantal in serie geplaatste protonuitwisselingsmembranen, die doorlaatbaar zijn voor protonen en tegelijkertijd het transport van waterstof en zuurstof tegenhouden. Het individuele membraan (vaste elektrolyt) bestaat uit een centrale folie waarop de elektroden (anode (-) / kathode (+), inclusief een katalysator, afwisselend zijn aangebracht. De PEM is omhuld met een gasdoorlatende diffusielaag.

Rond de elektrode-membraaneenheden in de stack worden zogeheten bipolaire platen geplaatst. De term "bipolair" verwijst naar de waterstofdragende anodeplaat en een zuurstofdragende kathodeplaat. De bipolaire platen worden gebruikt voor de homogene verdeling van waterstof en zuurstof, voor de afdichting naar de buitenzijde, voor de koeling van de brandstofcel en voor de elektrische verbinding van de cellen. Ze worden gekenmerkt door complexe kanalen en zijn meestal gemaakt van grafiet, metaal of composietmaterialen.

In het midden van de PEM-brandstofcel bevindt zich het membraan in de vorm van een rechthoekige plaat, die in de bipolaire platen is ingepakt. De anode wordt gevoed met waterstof, de kathode met zuurstof. Beide elektroden zijn met elkaar verbonden. De katalysator van edelmetaal wordt gebruikt om de gasmoleculen te splitsen. De waterstofmoleculen (H2) worden gesplitst in twee protonen. Elk waterstofatoom laat zijn elektron los. Nu migreren de protonen door het semipermeabele membraan naar de tegenoverliggende, positief geladen kathode, terwijl de elektronen een omweg nemen via de verbinding tussen de anode en kathode. Wanneer de protonen en elektronen uit waterstof de kathode bereiken, vindt een reactie plaats waarbij de daar aanwezige zuurstof water produceert. Als bijproduct van deze chemische reactie wordt naast warmte ook elektrische energie opgewekt. Er kan vervolgens spanning worden afgenomen op de eindplaten of op de verbinding tussen de anode en de kathode.

Speciale luchtfilters beschermen de brandstofcel zelfs tegen de kleinste deeltjes. Om schadelijke gassen uit de lucht te adsorberen, is het filter bovendien uitgerust met actieve koollagen of andere adsorberende media. Deze binden schadelijke gassen en beschermen op die manier de brandstofcel. De vereisten voor luchtfiltratie zijn aanzienlijk hoger voor brandstofcellen dan voor verbrandingsmotoren.

Als de lucht te droog is, droogt het membraan in de brandstofcelstack uit. Dit kan de mechanische sterkte van het membraan, dat verantwoordelijk is voor protonentransport, verminderen. Via een luchtbevochtiger kan het reactieproduct water worden overgebracht van de uitlaatlucht (de vochtige zijde) naar de toevoerlucht van de brandstofcel (de droge zijde).

Als de luchtvochtigheid echter te hoog is, kan deze condenseren tot waterdruppels. Deze kunnen de fijne structuren van de gasdiffusielaag of de microporeuze laag blokkeren. Waterdruppels die de turbinezijde van de elektrische compressor raken, hebben ook een negatief effect op de duurzaamheid van de brandstofcel. Daarom worden extra waterafscheiders gebruikt.

Het onderwerp akoestiek is interessant bij een brandstofcel, omdat we niet te maken hebben met mechanische onderdelen zoals bij een verbrandingsmotor. Storende geluiden kunnen zich voordoen in de elektrische compressor of als stromingsgeluiden in de leidingen. Geschikte resonatoren dempen het ongewenste geluid.

De brandstofcelstack zelf heeft (in theorie) geen onderhoud nodig en is ontworpen als een eenheid voor een groot aantal bedrijfsuren. De filterelementen moeten echter regelmatig worden vervangen. Het granulaat in de ionenwisselaar, dat ervoor zorgt dat de geleidbaarheid van de koelvloeistof in het juiste bereik ligt, is ook systeemspecifiek. Ook dit moet met vaste tussenpozen worden vervangen. Hetzelfde geldt voor het kathodeluchtfilter. Dit moet ook regelmatig worden vervangen. En dan is er nog het koelcircuit. Hier bevinden zich andere onderdelen die relevant zijn voor onderhoud: het filter van de ionenwisselaar en het deeltjesfilter van de koelvloeistof. Al met al betekent dit dat werkplaatsen voor personenauto's en vrachtwagens ook bij het onderhoud van voertuigen met brandstofcellen niet zonder werk komen te zitten.

Voertuigen met brandstofcellen, en dan met name vrachtwagens, tonen hun sterke punten waar een groot bereik (zoals lange trajecten) en snelle tanktijden vereist zijn. Ze kunnen in slechts enkele minuten worden bijgetankt. Als rekening wordt gehouden met de zogenaamde Well2Wheel-benadering (van waterstofproductie tot aandrijfenergie), bereikt de brandstofcel volgens experts een rendement van 30 tot 40 procent. Synthetische brandstoffen (ook gebaseerd op groene waterstof) halen een efficiëntie van ongeveer 20 tot 40 procent. Met 60 tot 70 procent behalen batterij-elektrische voertuigen hier aanzienlijk hogere waarden, maar op dit moment worden ze nog steeds beperkt door hun oplaadtijd en actieradius. In principe zijn de waarden echter sterk afhankelijk van de respectieve technologie, de omstandigheden van de locatie, de energiebron en andere factoren. Ook de snelle technologische vooruitgang kan de efficiëntie van elk van de drie technologieën in de toekomst sterk beïnvloeden.
Waterstof als brandstof biedt echter een zeer interessante mogelijkheid om de productie en het gebruik van groene waterstof te ontkoppelen van zowel locatie als tijd, waardoor efficiënte en milieuvriendelijke aandrijfsystemen kunnen worden aangeboden. De brandstofcel is daarom een zeer interessante optie in de aandrijvingsmix van de toekomst.