ECN verbetert brandstofcel

Petten, 10 september 1999

De brandstofcellen, waaraan de werkgroep ECN Brandstoffen, Conversie en Milieu werkt, bestaan uit elektroden met een oppervlakte in de grootte-orde van een vierkante decimeter en een dikte van vijfhonderdste millimeter. De brandstofcel is tweetiende millimeter dik en moet vlak en sterk zijn want ze worden in grote aantallen gestapeld omdat iedere brandstofcel op zich maar een klein vermogen heeft. Het Zwitserse bedrijf Sulzer maakt bijvoorbeeld stapels van zeventig brandstofcellen. Het totaal heeft een volume van twintig liter, twee jerrycans van tien liter, en is dus niet bijster groot.

Brandstofcellen bedrijf Sulzer

Om goed te werken moeten zowel het gas in de negatieve elektrode als de lucht in de positieve een temperatuur hebben van rond de negenhonderd graad celsius. Via een ingenieus syteem van gangetjes in metalen platen worden de hete gassen langs de elektroden geleid. Via een al even ingenieus systeem worden de vrijkomende elektronen opgevangen en de nodige elektronen aangevoerd. Deze stapel van Sulzer heeft een vermogen van een paar duizend watt, genoeg om honderden lampen te laten branden. De brandstofcellen verouderen nauwelijks. Na duizend uur is het voltage niet meer dan een kleine halve procent teruggelopen. De beoogde levensduur is een jaar of vijf.

Stabiliteit brandstofcellen

Een brandstofcel is niet in staat om al het aangevoerde gas te benutten voor elektriciteits-opwekking. Grofweg twintig procent stroomt erdoor zonder te reageren en dus zonder elektriciteit te leveren. Dat gas kan gebruikt worden om in een met de brandstofcel geïntegreerde boiler of centrale verwarmingsketel verbrand te worden. Zo'n combinatie benut in totaal ongeveer tachtig procent van de energie in het gebruikte gas terwijl een conventionele elektriciteitscentrale ongeveer dertig procent haalt.

Met name de elektrode waarin elektronen vrijkomen heeft de aandacht van Van Berkel. Waar die in contact is met het elektrolyt hebben de kleideeltjes en de metaaldeeltjes beide ongeveer een diameter van één micrometer. Aan de andere zijde, waar metalen draadjes de elektronen oppikken, hebben de keramiekdeeltjes een diameter van ongeveer tien micrometer en metaaldeeltjes nog steeds een diameter van ongeveer één micrometer.

Stroomdichtheid elektode bij 1 en 2 lagen

Het gevolg is dat er ongeveer anderhalf tot twee keer zoveel elektronen per vierkante centimeter door de elektrode kunnen stromen als voorheen en de cel langer stroom kan leveren zonder spanning te verliezen.

Sinteren elektroden

Van Berkel bereikt het effect door de elektroden in lagen van verschillende keramieksoorten en metaaloxyden te 'gieten' en ze vervolgens onder zeer nauwkeurig bepaalde omstandigheden te sinteren', bij hoge temparatuur te bakken. De metaaloxyde-deeltjes veranderen daarbij in metaaldeeltjes die elektronen, zoals bekend, goed geleiden.

Interview met Frans van Berkel: 'Niet één laagje, maar twee'.

Misschien is in de volgende eeuw een ziekenhuis voor de stroomvoorziening beter uit met, laat ik het maar even noemen, eigen batterijen dan met elektriciteit van een centrale. In een centrale gaat veel energie als warmte verloren. In 'brandstofcellen', de 'batterijen' waar wij aan werken, wordt ook die energie omgezet in elektriciteit zodat die goedkoper en schoner wordt.

Twee eeuwen geleden zag de Italiaan Galvani dat kikkerpoten bewogen als je er twee verschillende stukjes metaal tegen hield die met elkaar in contact stonden. Galvani werkte verder aan de kikkerpoten en zijn landgenoot Volta aan de stukjes metaal. Volta vond de batterij uit die nu in jongens 'doe'-boeken staat. Steek een gebakvorkje en een spijker in een vrucht en je kunt een lampje laten gloeien tussen de twee 'elektroden' van het 'galvanisch element'. Aardgas brandt en waterstofgas knalt als je er een lucifer bij houdt. De gassen reageren dan met zuurstof en er ontstaat koolzuurgas en waterdamp.

Met de energie, die vrijkomt, kun je van alles doen. In brandstofcellen treedt die verbranding ook op, alleen niet in één klap maar stapje voor stapje. Het gas geeft in één elektrode elektronen af, de elektronen gaan door een draadje naar de andere elektrode en daar neemt zuurstof de elektronen op. Het gaat natuurlijk om de wandelende elektronen, de elektrische stroom. De elektroden, met een d, moeten met elkaar verbonden zijn door een 'elektrolyt' anders zouden er gauw elektronen, met een n, tekort zijn in de ene elektrode en teveel in de andere. In het jongensproefje is het vruchtvlees de elektrolyt.

De eerste brandstofcellen gingen een half mensenleven geleden met raketten mee om aan boord voor stroom te zorgen. Wij werken aan, pakweg, de vijfde generatie, de 'vaste oxyde brandstofcel', drie platte schijven of platen van honderd vierkante centimeter op elkaar waarvan de middelste het elektrolyt is en de onderste en bovenste de elektroden. De elektrode, waar de brandstof langs loopt, bestaat uit een mengsel van keramiek en metaal en wordt gebakken in een oven. Ik probeer de elektrode zo te bakken dat elektronen er goed doorheen kunnen en ze overal even goed het elektrolyt uit kunnen. Ik heb gemerkt dat dat het beste kan als het keramiek-metaalmengsel dichtbij het elektrolyt uit kleine keramiek- en metaaldeeltjes bestaat en ver weg ervan uit grote keramiekdeeltjes met veel kleine metaaldeeltjes ertussen.

Als de elektroden niet uit één, maar uit twee laagjes bestaan, levert de brandstofcel niet alleen meer stroom maar doet het ook langer op hetzelfde niveau. Daar heeft en krijgt ECN patenten op. Ik denk dat in de volgende eeuw brandstofcellen stroom zullen leveren aan consumenten. Buitenlandse bedrijven hebben nu al prototypes gemaakt die genoeg stroom leveren voor een woonhuis."

Deel: ' ECN verbetert brandstofcel '




Lees ook