Elektrochemie van de brandstofcel

In een verbrandingsmotor in de auto reageert de brandstof – benzine, diesel, LPG – direct met zuurstof. Het grotere volume van de verbrandingsgassen duwt een zuiger steeds heen en weer, en een krukas zet deze heen-en-weer-gaande beweging om in een draaiende beweging voor de autowielen. Chemische energie uit de brandstof wordt hierbij omgezet in nuttige mechanische energie en (nutteloze) warmte.
In een brandstofcel gebeurt de verbranding indirect. Een brandstofcel voert een verbrandingsreactie gecontroleerd uit door de beide reactanten – bijvoorbeeld enerzijds methanol, methaan of waterstof en anderzijds zuurstof – aan beide zijden van de cel toe te voeren. Binnen in de cel reageren ze met elkaar waarbij elektronen buitenom afgetapt worden die een elektrisch apparaat zoals een elektromotor voeden. Net als een accu en een batterij zet een brandstofcel dus chemische energie om in elektrische energie – en eveneens warmte. Brandstofcellen bevatten geen bewegende delen, en dit heeft als voordeel dat ze stil kunnen werken en dat er geen mechanische slijtage is.

Vaste-oxide brandstofcel (SOFC)
Brandstofcellen zijn er in soorten en maten, maar hun opbouw is vergelijkbaar: een sandwich van twee elektroden – een anode en een kathode – met een elektrolyt daar tussenin. Aan deze elektrolyt ontlenen de brandstofcellen hun naam. Vaste-oxide brandstofcellen, in het Engels solid oxide fuel cells, kortweg SOFC, zijn keramische brandstofcellen die vanwege hun materialen bij hoge temperaturen (600-1000 °C) kunnen werken en daarbij een hoog rendement behalen. Yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoonoxide of YSZ is vanwege de hoge zuurstofionengeleiding bij hoge temperatuur het ideale elektrolytmateriaal. Een elektrolyt moet wel ionen doorlaten, maar elektronen mogen er niet doorheen bewegen. Het materiaal moet ook gasdicht zijn, om de reactanten niet de gelegenheid te geven om direct met elkaar te reageren. De poreuze anode bestaat uit een mengsel van nikkel en YSZ (Ni/YSZ), en de poreuze kathode uit lanthaan-strontium-manganaat (La1-xSrxMnO3). De elektroden zijn poreus omdat aan het grensvlak elektrode/elektrolyt/gas de interessante (inbouw)reacties van zuurstof in/uit het elektrolyt plaatsvinden. Ni/YSZ heeft voldoende hoge elektrische geleidbaarheid en is chemisch en thermisch stabiel genoeg aan de kant van de brandstofcel waar de brandstof zoals waterstof wordt aangeboden, en lanthaan-strontium-manganaat heeft deze eigenschappen aan de zuurstofzijde.
Als de brandstofcel aan het werk is wordt een reactant die zuurstof bevat (zoals pure zuurstof of lucht) toegevoerd aan de kathode waar de zuurstof wordt gereduceerd en hierbij zuurstofionen (O2-) vormt. Deze zuurstofionen bewegen door de vaste-stof elektrolytlaag naar de anode waar ze worden geoxideerd met brandstof (bijvoorbeeld waterstof of aardgas) om een reactieproduct (water) te vormen. De kathode en anode zijn extern met elkaar verbonden, en transporteren elektronen die aan de anode vrijkomen naar de kathode waar ze voor de reactie nodig zijn. Deze elektronenstroom wordt nuttig gebruikt om een elektrisch apparaat aan te drijven.


Werking van de vaste-oxide brandstofcel (SOFC)

Waterstofvoertuigen
Vaste-oxide brandstofcellen kun je goed gebruiken voor grootschalige stationaire toepassingen, bijvoorbeeld om stroom te leveren voor huizen of fabrieken. Omdat ze bij hoge temperaturen werken, en ze dus niet snel in- en uitgeschakeld kunnen worden, zijn ze met name geschikt om langdurig een constant basisvermogen te leveren (‘baseload’). Een ander type brandstofcel, de polymer exchange membrane fuel cell of PEMFC, heeft een hogere energiedichtheid en is minder zwaar, en is daarom goed te gebruiken in mobiele toepassingen zoals bussen. De benodigde waterstof heeft de bus aan boord in hogedruktanks (zo’n 700 bar), en de geleverde elektriciteit van de brandstofcel drijft een elektromotor aan die de wielen van de bus laat draaien. Dit geeft al aan: een waterstofbus (of -auto) is in feite een elektrische bus (of auto). De aandrijving is echter verschillend. Elektrische voertuigen – zoals de elektrische auto’s die je steeds meer op de weg ziet – krijgen hun energie uit opgeladen lithiumionbatterijen. Bij waterstofvoertuigen (auto’s en bussen, maar ook treinen en trucks) komt de ‘brandstof’ waterstof uit de hogedruktank die aan boord is, en de zuurstof uit de omgevingslucht, bijvoorbeeld via grote inlaatopeningen aan de voorkant van het voertuig.

Elektrolyser voor waterstofproductie
Een brandstofcel kun je ook omgekeerd laten werken, net zoals een LED-lamp het tegenovergestelde doet als een zonnecel bij de omzetting van elektrische energie in licht. Zo’n omgekeerde brandstofcel – een apparaat dat water splitst in waterstof en zuurstof door er een elektrische stroom doorheen te laten gaan – heet een elektrolyser. Elektrolyse is een effectieve manier om waterstof te produceren, waarbij de elektrische energie overgaat in waterstof als energiedrager – ‘power to gas‘. Dit waterstofgas is vervolgens gemakkelijk op te slaan of te transporteren door gasleidingen of in gekoelde vloeibare vorm.
Waterstof in z’n elementaire vorm is in overvloed aanwezig op aarde, bijvoorbeeld als één van de bouwstenen die chemisch gebonden zijn in het watermolecuul. Echter, waterstof in zijn vrije moleculaire vorm als waterstofgas (H2) komt helemaal niet veel voor, en moet kunstmatig worden gesynthetiseerd om in voldoende hoeveelheden te kunnen bestaan. Momenteel is de belangrijkste manier om waterstofgas te synthetiseren door middel van stoomreforming van aardgas. Daarom heeft het een fossiele oorsprong, met het broeikasgas kooldioxide als ongewenst bijproduct. Meer dan de helft van deze waterstof wordt gebruikt voor de synthese van ammoniak, wat op zijn beurt een belangrijke grondstof is voor de productie van kunstmest. Elektrolyse van water is een alternatieve manier om waterstofgas te genereren.
Bij elektrolyse met een solid oxide electrolyser cell of SOEC – die het tegenovergestelde doet als een SOFC – wordt stoom toegevoerd aan de poreuze kathode die aan het kathode/elektrolyt-grensvlak overgaat in waterstofgas en zuurstofionen. Het aangelegde spanningsverschil over de elektrolyser zorgt voor diffusie van de zuurstofionen naar de anode-zijde, die daar worden omgezet in moleculair zuurstof. Een SOEC werkt bij dezelfde hoge temperaturen als een SOFC, waarbij de toegevoerde stoom al voor een deel van de benodigde warmte zorgt.

Dit is een uitgebreidere versie van het hoofdstuk “Brandstofcellen” uit het boek “Kennismaken met materialen“.