In tegenstelling tot conventionele verbrandingstoestellen, zoals turbines en motoren, wordt in een brandstofcel de brandstof niet eerst omgezet in thermische energie en mechanische energie.
In een brandstofcel wordt de brandstof direct omgezet in elektrische energie. Door deze directe omzetting blijven de thermodynamische verliezen beperkt, waardoor de brandstofcel een hoog rendement kan halen.
In een brandstofcel wordt er een potentiaalverschil gecreëerd met behulp van een membraan. Dit membraan, het elektrolyt genoemd, laat bepaalde stoffen niet door (in de meeste gevallen elektronen). Deze negatieve elektronen worden omgeleid, waardoor er een potentiaalverschil ontstaat over twee elektrodes die zijn gepositioneerd aan weerszijden van het elektrolyt (anode en kathode).
Dit proces is in onderstaande figuur schematisch weergegeven aan de hand van de meest eenvoudige en fundamentele brandstofcel: de waterstof-/zuurstofbrandstofcel.
Voor- en nadelen brandstofcellen
Een brandstofcel heeft de volgende voor- en nadelen ten opzichte van een gasmotor of gasturbine.
Voordelen
- Het elektrisch rendement ligt aanzienlijk hoger dan die van gasmotoren of gasturbines. Elektrische rendementen van 60% zijn haalbaar, ten opzichte van 35% van conventionele systemen.
- Er zijn bijna geen bewegende delen, waardoor brandstofcellen geen geluid produceren.
- De restwarmte kan op een zeer hoog niveau vrijkomen. Dit is echter afhankelijk van de technologie (type elektrolyt) die wordt toegepast.
- Voornamelijk ten opzichte van een gasmotor is een brandstofcel emissiearm. Naast water en CO2 komen er nauwelijks andere stoffen vrij, zoals NOx (stikstofoxiden), SO2 (zwaveloxiden) en CO (koolstofmonoxide).
Nadelen
- De brandstofceltechnologie is een relatief nieuwe technologie, wat leidt tot een hogere aanschafprijs.
- Veel brandstofceltechnologieën zijn nog niet bewezen in de praktijk en zijn hierdoor ook nog niet beschikbaar op grote schaal. Dit heeft met name te maken met het feit dat er nog een aantal technische knelpunten zijn. Deze technische knelpunten leiden vaak tot een beperkte levensduur.
- Doordat er nog maar weinig commerciële leveranciers zijn, is de brandstofceltechnologie nog niet op grote schaal beschikbaar.
- Vanwege de technische knelpunten is een zeer zuivere brandstof gewenst. Dit betekent dat verontreinigde en van samenstelling variërende brandstoffen moeilijk toegepast kunnen worden. Dit geldt bijvoorbeeld voor biogas uit vergisting en syngas uit vergassing. Daarnaast is waterstof beperkt beschikbaar, waardoor een uitgebreide toepassing van brandstofcellen wordt tegengehouden.
- Onderhoudskosten zijn vaak hoger en tijdrovender dan bij de bewezen technologieën.
Hoog- en laagtemperatuur
Er zijn diverse technologieën die in de brandstofcel worden toegepast. Het onderscheid wordt vaak gemaakt in de temperatuur waarbij de brandstofcel kan werken. Deze temperatuur wordt met name bepaald door het soort elektrolyt dat wordt toegepast.
Brandstofcellen zijn te onderscheiden in laagtemperatuur- en hoogtemperatuurbrandstofcellen. Binnen beide categorieën zijn diverse technologieën leverbaar of in ontwikkeling. De naam van elk type geeft in de meeste gevallen aan welk soort elektrolyt wordt toegepast. Bij procestemperaturen onder de 200°C wordt over laagtemperatuur- en boven de 200°C over hoogtemperatuurbrandstofcellen gesproken.
Brandstofceltechnologieën
In onderstaande tabel is een overzicht van de verschillende technologieën weergegeven. Alhoewel de lijst niet helemaal compleet is, omdat er ook minder concrete ontwikkelingen zijn, geeft de tabel aan dat er een breed aanbod is aan brandstofcellen.
De laagtemperatuurbrandstofcellen bieden voornamelijk perspectieven voor voertuigen en draagbare toepassingen. De hoogtemperatuurbrandstofcellen worden daarentegen voornamelijk beschouwd als zeer bruikbaar voor elektriciteitsproductie in centrales en industriële toepassingen.
De vermogensrange van brandstofcellen varieert van 1 kWe voor huishoudelijke toepassing tot meer dan 1 MWe voor industriële toepassingen.
Laatst bijgewerkt: oktober 2012
