Chmisch Fitlijkhdn d i t i 5 3 n r 2 3 6 j u n i 2 0 0 7 D Contxt D watrstofconomi D Basis Enrgi uit chmi D Dipt Prstatis op d prof gstld a u t u r : B a s t i n n W n t z l brandstofcl Brug tussn brandstof n lktricitit Wrldwijd vrbruikn w jaarlijks grofwg 450 triljon Jouls aan nrgi n volgns schattingn zal dit in 2030 nog ns mt 50 procnt zijn tognomn. Tot nu to wordt d nrgimarkt vrijwl volldig bhrst door fossil brandstoffn. Dat lvrt nit alln miliuproblmn op, maar bovndin raakt d voorraad op. Enrgi-xprts dnkn dat watrstof, ht klinst lmnt, kan bijdragn aan d oplossing voor dz problmn. In zo n niuw nrgihuishouding splt d brandstofcl n crucial rol. Ht apparaat producrt lktricitit uit watrstof n zuurstof, mt als afvalproduct watr. En schonr procs lijkt ondnkbaar. Er is wl n problm: waar haal j watrstof vandaan? Onz plant hft mr dan gnog op voorraad, maar nit in vrij vorm. Ht mst zit samn mt zuurstof opgslotn in watr. W kunnn watrstof dus nit dlvn, maar motn ht rst makn. In combinati mt d brandstofcl bidt watrstof vl prspctivn. D bnodigd tchnologi ontwikklt zich in hoog tmpo, maar d concurrntislag mt d klassik brandstoffn lijkt nog nit gwonnn. In dz Chmisch Fitlijkhid D Contxt: Wat is n watrstofconomi? Kan ht miliu daar indrdaad m grd wordn? D Basis: En brandstofcl zt watrstof om in lktrisch nrgi. Ho wrkt zo n apparaat prcis? D Dipt: Auto s op watrstof rijdn schoon, stil n zuinig. Toch valt r nog vl aan t vrbtrn.
2 D Contxt b r a n d s t o f c l Chmisch Fitlijkhdn juni 2007 In n brandstofcl lvrt d racti van watrstof mt zuurstof schon lktricitit op. Dat zou wlns d oplossing kunnn zijn voor miliuproblmn n voor ht tkort aan fossil brandstoffn. Maar dat klinkt nvoudigr dan ht is. Brandstof voor d watrstofconomi Vl grot bschavingn zijn tn ondr ggaan door uitputting van hun nrgivoorzining, btoogt d Amrikaans nrgispcialist Jrmy Rifkin. Dat maakt d huidig samnlving volgns hm kwtsbaar. D fossil brandstoffn rakn op n vrvuiln ht miliu in rap tmpo. Bovndin is onz politik afhanklijkhid van oliproducrnd landn in ondr andr ht Middn-Oostn n gvaar voor d conomi. Ook is nrgi uit fossil brandstoffn nit voor idrn bschikbaar, vooral nit voor d armr bvolking. Dirct togang tot lktricitit kan hn bvrijdn van d armod, aldus d Amrikaan. In 2003 schrf Rifkin ht bok Th Hydrogn Economy, waarin hij schtst ho onz samnlving ruit kan zin als w voor onz nrgivoorzining massaal zoudn ovrstappn op watrstof. Rifkin dnkt dat d watrstofconomi d bst manir is om onz tokomst vilig t stlln. En daarin staat hij nit alln. Watrstof is r immrs in ovrvlod: ht lmnt omvat zo n 90 procnt van all massa in ht hlal. Wliswaar nit als vrij watrstofgas, maar gbondn aan zuurstof in watr. Daarnaast zijn all Brandstofcl in ht vrvor: nrgizuinig, fluistrstil n suprschoon. In auto s mt brandstofclln zit gn vrbrandingsmotor, maar n lktromotor n in plaats van bnzin of disl wordt watrstof gtankt. organisch vrbindingn in bomn, plantn n ook fossil brandstoffn bronnn van watrstof. Watrstof is bovndin n fficiënt brandstof. Ht bvat pr kilo dri kr zovl nrgi als bnzin, trwijl ht afvalproduct van d nrgiwinning slchts schoon watr is. Stroom n stoom En onmisbaar ondrdl van d watrstofconomi is d brandstofcl. Dit apparaat zt watrstof mt bhulp van zuurstof om in stroom n stoom, ofwl lktricitit n watr. Nt als in accu s of battrijn wordt via n chmisch racti lktrisch nrgi glvrd. Ht vrschil is dat di na vrloop van tijd lg rakn (n vntul wr motn wordn opgladn), trwijl brandstofclln continu stroom lvrn. Althans: zolang watrstof n zuurstof wordn aangvord n ht afvalproduct, watr, wordt afgvord. Op di manir kan n brandstofcl bij wijz van sprkn uwig stroom blijvn opwkkn. In princip kunnn brandstofclln fungrn als lvrancirs van lktricitit in all dnkbar situatis. Er zijn bijvoorbld modlln ontwikkld di als klin lktricititscntral kunnn wordn togpast; z wordn gvod mt watrstof in plaats van oli, koln of vrrijkt uranium. In n klinr uitvoring kan n brandstofcl dinn als gnrator of minicntral voor lokal stroomvoorzining in ziknhuizn of in afglgn gbidn waar gn lktricititsnt bschikbaar is. Vrdr zijn juist hl klin brandstofclln in d maak als altrnatif voor battrijn in laptops of mobil tlfoons. D topassing van brandstofclln in ht vrvor is ht vrst gvordrd. Ook in ons land rijdn inmiddls vrschillnd prototypn rond van auto s op watrstof. Erdr xprimntrd ht Enrgiondrzok Cntrum Ndrland (ECN) samn mt ht Italiaans bdrijf Piaggio al mt n bijzondr scootr, di wrd aangdrvn door n lktromotor mt n brandstofcl als stroomlvrancir. Dz scootr stoot gn viz walm uit n is fluistrstil grot voordln in d drukk Italiaans stdn. D mst provn vindn plaats in ht busvrvor. Sinds 2003 loopt bijvoorbld ht grot Europs projct CUTE, Clan Urban Transport for Europ. Binnn dit projct is n brandstofcl ontwikkld di zr gschikt blijkt voor topassing in stadsbussn, maar momntl nog wl t duur is. Watrstof makn Watrstof klinkt als d idal oplossing voor al onz nrgiproblmn. Waarom laat d watrstofconomi dan nog op zich wachtn? Allrrst ligt watrstof nit voor ht oprapn. J kunt ht nit dlvn. Watrstof is daarom gn primair nrgibron zoals oli of zonnnrgi, maar n nrgidragr. J mot
Chmisch Fitlijkhdn diti 53 nummr 236 schon nrgi D Contxt watrstofbattrij 3 b r a n d s t o f c l zonnpanln Ht basisprincip van n miliuvrindlijkr nrgiproducti: mt zonn-nrgi wordt watr gsplitst in watrstof n zuurstof, waarna bij d omztting van watrstof in lktricitit slchts watr als afvalproduct ontstaat. watr zuurstof lktrolys watrstof watrstof watrstof-opslag En watrstofconomi zou schoon n uitrst fficiënt zijn, zkr in vrglijking mt d huidig conomi di wrldwijd voor mr dan drikwart draait op oli, aardgas n koln. Ook Amstrdams stadsbussn makn dl uit van ht Europs Clan Urban Transport for Europ-projct (CUTE), waarbij divrs typn brandstofclln wordn gtst. zuurstof brandstofcl watr ht rst producrn, bijvoorbld uit watr. Dat kan via lktrolys, waarbij watr wordt gsplitst in watrstof n zuurstof. Dit procs vraagt chtr minstns vnvl lktricitit als j r latr m trugwint in n brandstofcl. Elktricitit di bovndin rgns vandaan mot komn. Ht id van duurzam nrgi zou vrlorn gaan als daarvoor n kolncntral zou dinn. Gbruik van lktricitit opgwkt via watrkracht, windmolns of zonnpanln ligt dan voor d hand. Vooral d zon, n onuitputtlijk nrgibron, zou idaal zijn. Maar zonnpanln zijn nog vl t duur n hun rndmnt is nog t laag voor grootschalig gbruik. Op dit momnt wordt vrrwg d mst watrstof gmaakt door chmisch omvorming van fossil brandstoffn, zoghtn rforming. Problm is chtr dat daarbij koolstofdioxid vrijkomt. Bij gbruik van watrstof gmaakt uit aardgas of koln lvrt n brandstofcl dus indirct n bijdrag aan d CO 2 -missi, al bdraagt d missi van n watrstofauto ongvr d hlft van di van n vrglijkbar bnzinauto. Bovndin is hir nog vl winst t haln door bij d watrstofproducti ht vrijkomnd broikasgas af t vangn of door watrstof t makn uit biomassa. Drmpl D hlft van ht total nrgivrbruik komt voor rkning van lktricititscntrals. Elktricitit is nt als watrstof n nrgidragr di gmaakt mot wordn uit n primair bron, tot nu to voornamlijk fossil brandstoffn. Hlaas gaat daarbij lifst 60 procnt vrlorn aan warmt. Bij rforming van fossil brandstoffn naar watrstof blijft ht vrlis bprkt tot 20 à 30 procnt. Dit zou plitn voor watrstof in plaats van lktricitit als nrgidragr, maar n voordl van lktricitit is d bschikbar infrastructuur. Via n uitgbrid ntwrk wordt ht glvrd aan d indgbruikrs. Ht hoft nit ovr d wg vrplaatst t wordn. Watrstof chtr wl. Daar staat tgnovr dat lktricitit nit zo gmakklijk valt op t slaan, waardoor problmn kunnn ontstaan bij n xtrm grot vraag naar stroom. Voor watrstof kunnn daarntgn gmakklijk buffrvoorradn wordn aanglgd om bij dag- of sizonpikn aan d vraag Ht grot voordl van brandstofclln is dat z vl langr mgaan dan d huidig lithiumion battrijn. Nit watrstof maar mthanol is d brandstof voor d miniatuur watrstofclln in mobiltjs n laptops. D cartridgs mt mthanol zijn gmakklijk t vrwissln. Mt slchts 2cc kan n MP3-splr 20 uur lang muzik spln. Ook zijn r inmiddls klin draagbar brandstofclln t koop waarm j battrijn in mobil apparatuur kunt opladn. Ht apparaatj kan wordn gkoppld aan n fls watrstof waarna ht zo n tin uur lang stroom lvrt. t voldon. Hirbij gldn natuurlijk wl blangrijk vilighidsvoorwaardn, want watrstof is n xplosif n brandbaar gas. Binnn d EU wordt gwrkt aan richtlijnn n niuw rgls voor transport, opslag n gbruik van watrstof. Ht wordt al op grot schaal gbruikt als industril product, waarbij al vl rvaring is opgdaan om ht vilig t vrvorn via n spciaal pijplidingnnt. Nit d brandstofcltchnologi vormt d blangrijk drmpl voor d watrstofconomi, maar vooral d duurzam producti van watrstofgas n n vilig n fficiënt distributintwrk. IJsland loopt wat dit btrft voorop. Elktricitit wordt r gwonnn uit gothrmisch nrgi n watrkracht, waardoor ruim 70 procnt van d nrgibhoft uit duurzam bronnn komt. Ht land nmt dl aan vrijwl all xprimntn mt brandstofclln. D IJslandrs zin watrstof nit alln als n moglijkhid om in ign land vrkr n nrgivoorzining miliuvrindlijkr t makn, maar ook om schon nrgi in d vorm van watrstof t kunnn xportrn. Wllicht kan schon watrstof van dit iland d ontwikklingn van d watrstofconomi op ht Europs vastland vrsnlln.
4 D Basis b r a n d s t o f c l Chmisch Fitlijkhdn juni 2007 Eind ngntind uw vrloor d brandstofcl d strijd mt d vrbrandingsmotor. Dankzij NASA krg d tchnik n niuw kans. Ht hart van d cl, ht lktrolyt, bpaalt d moglijkhdn n bprkingn. Enrgi uit chmi En stroompj door n glas watr lvrt watrstofgas n zuurstofgas. Ht is ht bknd lktrolysprofj in d schikundlokaln. D Brits jurist n natuurwtnschappr Sir William Robrt Grov past bgin ngntind uw dit princip to om watrstof t makn voor zijn xprimntn. Hij was vooral gïntrssrd in battrijn n zocht naar n ontwrp dat d mst lktricitit oplvrd. Daarbij stuitt hij op n artikl van d Zwitsrs schi- n natuurkundig Christian Schönbin, di schrf dat hij lktricitit had opgwkt uit d chmisch racti tussn watrstof n zuurstof op plaatjs platina. Grov ralisrd zich onmiddllijk ht praktisch nut van dz omgkrd lktrolys n in 1843 publicrd hij ovr d rst gasbattrij. Di bstond uit n sri clln van tlkns één buis gvuld mt zuurstof n n twd mt watrstof in n bkrglas mt zwavlzuur n n platina staafj. Eén cl lvrd ongvr 1 volt aan spanning. Grov s gasbattrij, di latr brandstofcl wrd gdoopt, krg Vrschillnd topassingn voor vrschillnd typn brandstofclln in 1875 concurrnti van d vrbrandingsmotor. Di blk al snl vl krachtigr, lichtr n mindr storingsgvolig. D brandstofcl lk dan ook als votnoot in d tchnikgschidnis t indign. Totdat d Amrikaans NASA ind jarn zstig van d vorig uw rnstig vrlgn zat om n niuw soort nrgivoorzining aan boord van ruimtvaartuign. Bstaand battrijn n accu s warn t zwaar, zonnclln t duur n krnnrgi aan boord van n rakt was onaccptabl. En brandstofcl blk btrouwbaar n lvrd mt wat aanpassingn voldond lktricitit. D afvalstof, watr, kondn d astronautn drinkn. Elktrochmisch apparaat En brandstofcl is n lktrochmisch apparaat dat nt als n battrij n n accu chmisch nrgi omzt in lktrisch nrgi. Aan d lktrodn (anod n kathod) vindn oxidati- n rductiractis plaats. Omdat d lktrodn gschidn zijn, wordt aan d n n ngativ lading opgbouwd n aan d lktrolyt maakt ht vrschil PEM FC DMFC SOFC AFC Naam Proton Exchang Dirct Mthanol Solid Oxid Alkalin Mmbran Brandstof H 2 mthanol H 2, CO H 2 Elktrolyt H + glidnd H + glidnd vast oxid kaliumhydroxid polymr polymr Mobil ion H + H + O 2- OH - andr n positiv. D lktrisch nrgi kan aan d ractis wordn onttrokkn door n stroomkring aan t brngn. Dit gburt mt n lktrolyt di ht ladingtransport tussn bid lktrodn moglijk maakt, zodat d stroomkring sluit. Andrs dan n battrij of accu, raakt n brandstofcl tijdns gbruik nit lg, omdat voortdurnd niuw brandstof van buitn wordt aangvord. Ht princip van d hdndaags brandstofclln is nit wznlijk andrs dan Grov s gasbattrij: n cl mt n anod plus kathod, mt daartussn n lktrolyt. D anod wordt gvod mt watrstof, d kathod mt zuurstof. Buitnom loopt n lktricititsdraad. En katalysator, bijvoorbld platina, splitst watrstof (H 2 ) in protonn n lktronn. D protonn gaan door d lktrolyt naar d kathod, trwijl d lktronn door d draad stromn. Bij d kathod komn protonn n lktronn wr bij lkaar n ragrn mt zuurstof (O 2 ), waarbij watr ontstaat. Eén cl lvrt nog stds maar n spanning van ampr 1 volt. Dat is in d praktijk t winig. Door mrdr clln in sri aan t sluitn kan n grotr spanning wordn vrkrgn. Zo n rij van vaak nkl tintalln clln ht n stack. soortn n matn Voor allrli vrschillnd topassingn zijn inmiddls vl soortn brandstofclln ontwikkld. Z wordn vrnomd naar d aard van d gbruikt lktrolyt, di ht hart vormt van d cl. D lktrolyt bpaalt d moglijkhdn én bprkingn. Zo wordt in d ruimtvaart d alkalin ful cll (AFC) gbruikt mt kaliumhydroxid, n voor vrvormiddln vooral d proton xchang mmbran
Chmisch Fitlijkhdn diti 53 nummr 236 ho wrkt n brandstofcl D Basis 5 b r a n d s t o f c l C l l n s ta p l n Proton Exchang Mmbran (PEMFC) watrstof (H2) watrstof wordt hrgbruikt H 2 H 2 platina platina anod lktrolyt kathod 2H + + 2- O 2 + 4H + + 4- H H H H O O O 2 H 2O zuurstof (O 2 ) uit lucht warmt (85 C) lucht n watr 2H 2 O D brandstofcl bvat tw poruz koolstoflktrods di vrbondn zijn door n lktrolyt. Op d lktrod is n dun laagj platina als katalysator aangbracht. Aan d anod wordt watrstof togvord dat gsplitst wordt in protonn n lktronn. D lktronn lvrn stroom in ht xtrn circuit; d protonn gaan via n protonslctif mmbraan (Proton Exchang Mmbran) naar d kathod. Aan d kathod wordt zuurstof (lucht) aangvord dat mt d protonn ragrt tot watr. H2 O2 H2 O2 H2 O2 H + H + H + - - 0 V 0,7 V 1,4 V 2,1 V En nkl brandstofcl producrt gnog lktricitit (tussn 0,5 n 0,9 V) voor nkl d klinst topassing. Daarom wordn brandstofclln ook wl in sri samngvogd tot n brandstofclstapling (stack). En brandstofcl-stack kan uit hondrdn brandstofclln bstaan. Brandstofcl bstaand uit nig tintalln clln gstapld tot n stack. ful cll (PEMFC) mt n protonglidnd polymr. Om protonn door t latn van d anod- naar d kathodzijd bvat dz lktrolyt zur gropn in n watrig mdium. Bhalv dz hydrofil plaatsn hft ht polymr ook hydrofob rgio s di rvoor zorgn dat aan d kathodzijd ht gvormd watr wordt afgvord. Voor d mchanisch strkt zijn polymrktns nodig. Bhalv in transporttopassingn wordt d PEM ook gbruikt in d dirct mthanol ful cll (DMFC). Dz cl is gbasrd op mthanol in plaats van watrstof n wordt togpast in laptops n mobiltjs als vrvangr van battrijn. Mthanol lvrt d protonn aan d anodzijd. Doordat mthanol ook koolstofatomn bvat komt fluorkoolstof hoofdktn zijktn CF 2 CF 2 CF m CF 2 n O CF 2 CF CF 3 z O CF 2 CF 2 SO 3 H + sulfonaatgrop slctif Protontransport Nafion bij d wrking van dz brandstofcl koolstofdioxid vrij, maar d uitstoot is bij dz miniatuurbrandstofclln zr laag. D hog-tmpratuur solid oxid ful cll (SOFC) is nit gschikt voor aandrijving van n auto, omdat dz cl optimaal oprrt bij n tmpratuur van ongvr 800 C. Bij gbruik in auto s zou ht vl t lang durn r dz tmpratuur is brikt n d auto kan wordn gstart. Dit typ cl is ontwikkld voor topassing in n mini-lktricititscntral. Bijvoorbld in n huis of n klin woonwijk, of als hulpvrmogn in kolvris-vrachtwagns di ook lktricitit nodig hbbn als d motor stilstaat. Ht vast oxid-lktrolyt in n SOFC is bijvoorbld zirconia (ZrO 2 ) gmngd hydrofoob hydrofil ruimtn H 2 O H 3 O + - SO3 proton transport Nafion is n vlgbruikt lktrolyt in d proton xchang mmbran (PEM) brandstofcl. Ht polymr bstaat uit ht volldig gfluoridrd matriaal Tflon (polyttrafluorothn) waaraan sulfonaatgropn zijn gkoppld. Tflon is zr hydrofoob, d sulfonaatzijktns zijn hydrofil. D laatst zokn lkaar op zodat r hydrofil kanaln ontstaan waar d protonn doorhn wordn gtransportrd. D rst van ht mmbraan is hydrofoob. Nafion is n mrknaam van ht matriaal. Ht wordt gproducrd door DuPont. mt yttria (Y 2 O 3 ). D rdoxracti di plaatsvindt aan d lktrodn is andrs dan in d PEM-cl: aan d kathod wordn zuurstofionn gvormd (O 2- ), aan d anod kunnn vrschillnd ractis plaatsvindn ondr andr van koolmonoxid mt watrstof tot watr n kooldioxid. Hirdoor is ht moglijk n SOFC nit alln mt zuivr watrstof t vodn maar ook mt synthsgas, n mngsl van koolmonoxid (CO) n watrstof (H 2 ) dat kan wordn gmaakt uit fossil brandstoffn zoals aardgas, disl of krosin. Hoog rndmnt In n brandstofcl vindt gn vrbranding plaats, maar wordt watrstof rchtstrks omgzt in lktricitit. Dz lktrochmisch racti van watrstof mt zuurstof vrloopt vl fficiëntr dan n klassik vrbranding, waarbij nrgi in d vorm van warmt vrijkomt. In d zoghtn Carnot-cyclus wordt d chmisch nrgi namlijk rst omgzt in warmt n pas daarna in bijvoorbld lktrisch nrgi. Tijdns dz laatst stap trdn altijd grot vrlizn op, omdat maar n dl van d warmt kan wordn omgzt. D dirct omztting lidt tot n uitzondrlijk hoog rndmnt. En auto mt brandstofcl bnut 95 procnt van d nrgi-inhoud van watrstof, trwijl d vrbrandingsmotor in n bnzinauto nauwlijks 40 procnt van d nrgi wt om t zttn in ntto bwging.
6 D dipt b r a n d s t o f c l Chmisch Fitlijkhdn juni 2007 Brandstofclln n watrstoftchnologi staan wrldwijd in d blangstlling. Vooral in ht vrvor wordt volop gëxprimntrd n d vrwachtingn zijn hoog. Ondrzokrs hbbn voorlopig chtr hun handn vol aan vrbtrpuntn. Prstatis prof op d gstld Vortuign mt brandstofclln bvindn zich momntl in ht stadium van ondrzok, ontwikkling n dmonstrati. D n na d andr autofabrikant komt mt prototypn. Z zijn schoon n stil n kunnn bij grootschalig introducti n blangrijk bijdrag lvrn aan d vrbtring van ht miliu. Maar r klinkt ook kritik. D brandstofclauto zou nit snl gnog zijn n r bstaan twijfls ovr d vilighid van n watrstoftank aan boord, di bovndin vl t vl ruimt zou innmn. D critici wordn op hun wnkn bdind: vrschillnd fabrikantn hbbn inmiddls modlln ontwikkld di nit ondrdon voor n auto mt n vrbrandingsmotor. Zo hft d FCX van Honda n actiradius van 400 km n n topsnlhid van 160 km/u. D auto tlt tw watrstoftanks van in totaal ruim Ht rndmnt van d lktrochmisch racti tussn watrstof n zuurstof in n brandstofcl is hoog, waardoor n vortuig mt zo n cl nrgizuinig is. Omdat gn vrbranding plaatsvindt ontstaan gn stikstofoxidn, gn koolwatrstoffn, gn rotdltjs n ook gn koolstofdioxid in lk gval nit tijdns ht rijdn. Maar bij d producti van watrstof komt natuurlijk wl CO 2 vrij wannr ht gas wordt gwonnn uit fossil brandstoffn. Om ht nrgivrbruik n d missis van n vrbrandingsmotor n n brandstofcl rlijk t vrglijkn mot dan ook d complt nrgiktn wordn bkkn. Dat gburt in n zoghtn wll-to-whl analys, waarbij van lk stap wordt brknd hovl nrgi vrlorn gaat n wat d missis zijn. ho schoon n ho zuinig 150 litr; bij 350 bar watrstofdruk past daar 3,75 kilo watrstof in. Om prstatis t vrbtrn wordn d auto-ontwrpn tlkns aangpast. Zo zijn r uitvoringn mt aan idr achtrwil n klin lktromotortj dat xtra kracht lvrt. Soms is ook n condnsator opgnomn om xtra kracht t lvrn bij ht wgrijdn. Dat kost natuurlijk nrgi, maar di wordt trugvrdind door hrgbruik van ht nrgivrlis tijdns ht rmmn. Bij prsonnauto s ligt d brandstofcl zlf mstal in n dubbl bodm ondr d passagirsstol. D hogdruktank mt watrstof hangt ondr d koffrbak, waardoor r nog voldond ruimt ovrblijft voor d bagag. Struiklblok In d watrstofauto s wordt vooral d proton-xchang-mmbran (PEM) En autorit van hondrd kilomtr Enrgivrbruik 283 MJ 196 MJ Emissis CO 2 21 kg 11 kg CO 48 g 0 g NO x 3 g 0 g HC 3 g 0 g brandstofcl gbruikt. D lvnsduur van d huidig PEM-brandstofclln bdraagt thortisch 20.000 uur, trwijl voor n prsonnauto 5.000 uur voldond zou zijn. Dat komt ovrn mt 300.000 km. Maar bij gbruik in d praktijk (koud, hitt, droogt) blijkt d lvnsduur hl wat kortr. Problm is d optimal bdrijfstmpratuur van d cl. Di ligt rond d 80 C. Dat lijkt n comfortabl tmpratuur, maar voor topassing in n auto zou ongvr 120 C gwnst zijn. Bij n grotr vrschil mt d omgvingstmpratuur vrloopt d afvor van warmt (waardoor d cl nit té warm wordt) vl gmakklijkr. En brandstofcl mt n hogr bdrijfstmpratuur zou d cl n d aandrijving van d auto nvoudigr, lichtr n godkopr makn. Ht protonglidnd mmbraan vormt ht grootst struiklblok. Ht tot nu to mst gschikt matriaal, prfluorsulfonzuur (Nafion), mot vrzadigd zijn mt watr voor n god gliding van protonn. Bij hogr tmpraturn vrdampt ht watr t snl n daalt ht vrmogn van d cl. Ht bdrijf Gor (bknd van ht watrdicht txtil GorTx) ontwikkld n porus polymr van polyttrafluorothyln (PTFE) dat gvuld is mt prfluorosulfonzuur. Bij provn mt n mmbraan van dit matriaal is al n lvnsduur van 8.000 uur brikt. D fficiënti van ht protontransport blijkt bovndin hogr dan in Nafion. PTFE is namlijk zó strk dat ht mmbraan hl dun gmaakt kan wordn, waardoor ht protontransport mindr bijdraagt aan vrlis in nrgiopbrngst. Ht Enrgiondrzok Cntrum Ndrland (ECN) ontwikkld samn mt DSM n vrglijkbaar systm op basis van porus polythyln, waarbij d hol-
Chmisch Fitlijkhdn diti 53 nummr 236 chmisch fabrik chloorproducti chloor Cl 2 watrstof H 2 lktricitit uit watrstof lktricitit uit ht nt ts wordn gvuld mt Nafion. Bijzondr bij dit mmbraan is dat d matrix nit gfluoridrd is. Lang tijd wrd gdacht dat alln volldig gfluoridrd polymrn bstand zoudn zijn tgn d agrssiv (zur) omgving waarin rdoxractis plaatsvindn. D lvnsduur van dz cl bdraagt chtr 3.000 uur bij onafgbrokn gbruik. Honda past in zijn FCX-brandstofclauto n mmbraan to dat gbasrd is op aromatisch vrbindingn. Daarm kan d auto bij lagr tmpratuur startn (-20 C) n toch bij hogr tmpratuur god functionrn (tot 95 C). Ht idal matriaal is nog nit gvondn. Ondrzokrs dnkn dat dat nog zkr vijf jaar kan durn. Concurrntislag Om d brandstofcl n aantrkklijk altrnatif t makn voor d vrbrandingsmotor mot op ht gbid van gwicht, vrmogn n kostn nog vooruitgang wordn gbokt. Maar r gldn nogal wat randvoorwaardn. Ht gwicht mot laag zijn; nit hogr dan n kilo pr glvrd kilowatt. Ht vrmogn mot minimaal 75 kw bdragn, maar lifst Vloibar watrstof mt n tmpratuur van 20 Klvin kan wordn opgslagn in nklwandig of dubblwandig, vacuümgïsolrd tanks. Doorgaans strft mn naar zo groot moglijk containrs ondr zo hoog moglijk druk. powr plant op brandstofcl brandstofcl cntral watr H 2 O Bij d chloorfabrik van Akzo Nobl in Dlfzijl is n lktricititscntral gbouwd di gbruik maakt van n PEMbrandstofcl. Ht is d rst cntral in Europa van dz omvang, 120 kw. D bnodigd watrstof komt vrij als bijproduct bij ht makn van chloor. D opgwkt lktricitit wordt dirct trugglvrd aan d fabrik. hogr: in d buurt van d 100 à 150 kw, ht vrmogn dat n gmiddld auto op fossil brandstof lvrt. Vrbtring van ht vrmogn gaat chtr tn kost van ht gwicht. Vrdr mag ook d prijs pr kw nit bovn d vijftig dollar uitkomn. Vooral fficiëntr katalys zou bijdragn aan n hogr vrmogn. Maar dat gaat tn kost van d prijs, omdat r ondr andr mr platina nodig zal zijn. Momntl zit r ongvr 0,4 gram platina pr kw in n cl, ofwl drtig gram voor n auto van 75 kw. D hovlhid platina mot nog mt d hlft daln. Mn probrt dit door ht platina fijnr t vrdln ovr d grafitlktrods. Ook wordt ondrzocht of topassing van n lgring d katalys fficiëntr maakt. Platina gmngd mt ruthnium is gschikt om aan d anod t gbruikn, platina mt cobalt lvrt aan d kathod n btr stabilitit. Drglijk lgringn zoudn door bsparing op platina voordligr zijn. Watrstofbstndig Tot slot motn r ook altrnativ matrialn wordn ontwikkld, omdat watrstof ragrt mt d gangbar mtaln waarvan gascilindrs n pijplidingn zijn gmaakt. En tijd lang dacht mn dat mtaalhydrids gschikt zoudn zijn. Dz poruz matrialn wrkn als n soort spons n nmn watrstof rvrsibl op in hun holts. Dat is chtr n xothrm procs n voor ht vrijmakn is dus nrgi nodig. D brandstoftank van n auto zou dan vrwarmd motn wordn, waardoor n aanzinlijk dl van d nrgi-inhoud van watrstof wordt vrbruikt voor opslag. Ondrzokrs probrn niuw matrialn t vindn voor watrstofopslag, D dipt 7 b r a n d s t o f c l BIOLOGISCHE brandstofcl Enrgi uit afvalwatr Biologisch brandstofclln functionrn volgns htzlfd princip als n normal brandstofcl. Organisch matriaal (CHO) in afvalwatr wordt door bactriën omgzt in protonn n lktronn. D protonn diffundrn door n protonslctif mmbraan. D lktronn wordn door n xtrn circuit glid zodat lktricitit wordt opgwkt. Aan d andr zijd van ht mmbraan komn d lktronn n protonn wr bij lkaar n ragrn samn mt zuurstof tot watr. Htzlfd bio-lktrochmisch princip wordt ook gbruikt om watrstof t makn uit afvalwatr in plaats van lktricitit. Bij d biologisch watrstofproducti uit afvalwatr wordt aan d kathod stroom togvord in plaats van zuurstof, waardoor watrstof ontstaat in plaats van watr. afvor aanvor CO2 anod stroomvoorzining - - CO2 H + (CHO) n kathod watrstof H 2 H + bijvoorbld nanogstructurrd magnsiumhydrids. Klin dltjs of dunn lagn motn rvoor zorgn dat d tmpratuur waarbij ht watrstofgas wr vrijkomt nit t hoog is. Daarnaast wordt d moglijkhid ondrzocht om watrstof op t slaan in alanatn, vrbindingn van natrium, aluminium n watrstof. Er past mr dan d gwnst 5 gwichtsprocnt watrstof in dit matriaal n ht dsorbrt al bij 77 C, wat topassing in n PEM-brandstofcl moglijk maakt. TTIW Wtsus, Luwardn
8 Aanvullnd informati b r a n d s t o f c l Chmisch Fitlijkhdn juni 2007 Mr wtn Aanbvoln litratuur - Ouwhand J. t al., Togpast Enrgitchnik, Sdu Uitgvrs, Dn Haag (2005), hoofdstuk 12. - US Dpartmnt of Enrgy, Ful Cll Handbook, 7th d. (2004). - D Bruijn F., Th currnt status of ful cll tchnology for mobil and stationary applications, Grn Chmistry 2005;7:132-150. - Rifkin J., Th hydrogn conomy, Nw York (2002), ISBN 1585421936. Aanbvoln wbsits - www.minihydrogn.com: prsntatis, filmpjs n xprimntn ovr watrstof n brandstofclln. - http://noordrlicht.vpro.nl/dossirs/11867650/: dossir Watrstofconomi mt documntairs n artikln. - www.cn.nl/h2sf/: Unit Watrstof n Schoon Fossil van ECN. - www.shllhydrogn.com: sit van Shll Hydrogn BV. - www.brandstofcl.com: algmn sit ovr brandstofclln n hun topassingn. - www.gosnrgi.nl/miniwatrstof.htm: tchnologi van klin brandstofclln uitglgd. Voor op school 1. D vilighid van rijdn op watrstof is punt van discussi. Gf dri rdnn waarom watrstof onviligr zou zijn dan bnzin. Nom ook dri maatrgln of tgnargumntn. 2. Waarom is watrstof n nrgidragr n nit n nrgibron? Elktricitit is ook n nrgidragr. Nom n voordl n n nadl tn opzicht van watrstof. 3. Minibrandstofclln op mthanol bstaan ook. Ho wrkn di? Gf d lktrodractis. Dnk j dat dz clln d huidig lithium-ionbattrijn zulln kunnn vrvangn? Gf n argumnt voor n tgn. 4. Tw cc (millilitr) mthanol is voldond voor 20 uur muzik op j MP3. Hovl Joul lvrt tw cc mthanol bij volldig vrbranding tot koolstofdioxid n watr? Hovl Foto: Bastinn Wntzl D HydroGEM, ontwikkld n gtst bij ECN (Pttn), wordt aangdrvn door n brandstofcl di n vrmogn lvrt van 5 kw. D watrstofauto is gschikt voor lokaal transport bij vligvldn, stations, distributicntra, ziknhuizn tctra. Ht vortuig hft n laadvrmogn van twhondrd kilogram n rijdt op n tank van 76 litr (200 bar) ongvr twhondrd kilomtr bij n maximum snlhid van 40 km/u. Watt lvrt 2 cc mthanol in di tw uur. Hovl Watt vrbruikt j MP3? Gbruik o.a. Binas 57a n 57B. 5. Gf d halfractis di optrdn in d brandstofcl mt watrstof n (lucht)zuurstof. Gbruik Binas 48. Wat is d clspanning ondr standaardomstandighdn? 6. Waardoor wijkt d clspanning vlal af van d waard di j volgns Binas brknt? 7. Nom dri isn waaraan n mmbraan voor n PEMbrandstofcl mot voldon. 8. Zok d lktrodractis op voor n PEM- n n SOFCcl. Waarom is vrontriniging mt CO voor d rst wél n problm n voor d twd nit? 9. Wat is ht vrschil tussn biologisch brandstofcl n n chmisch brandstofcl. Ho kun j watrstof makn uit afvalwatr? 10. Wlk brandstofcl zou gschikt kunnn zijn voor d schpvaart? (Tip: schipprs houdn nit van xplosiv watrstof, zij varn livr op disl.) C o l o f o n b r a n d s t o f c l Chmisch Fitlijkhdn: actul ncyclopdi ovr molculn, mnsn, matrialn n miliu. Losbladig uitgav van d KNCV, vrschijnt dri maal pr jaar mt in totaal tin ondrwrpn. Rdacti: Alxandr Duyndam (C2W) Marian van Opstal (Bèta Communicatis) Arthur van Zuyln (Bèta Communicatis) Grard Stout (Noordlijk Hogschool Luwardn) Producti n ralisati: Bèta Communicatis tl. 070-306 07 26 btacom@plant.nl Fotovrantwoording: Foto's zondr bronvrmlding zijn afkomstig van www.istockphoto.com Uitgvr: Roland Dobblar Bèta Publishrs Postbus 249, 2260 AE Lidschndam tl. 070-444 06 00 fax 070-337 87 99 info@btapublishrs.nl Abonnmntn opgvn: Abonnmntnland D Trompt 1739, 1967 DB Hmskrk tl. 0251-31 39 39 fax 0251-31 04 05 abosrvic@aboland.nl Abonnmntn: papirn diti n togang tot digitaal archif op intrnt: (inclusif vrzamlmap): 75,- KNCV- n KVCV-ldn: 65,- alln togang tot digitaal archif op intrnt: 60,- KNCV- n KVCV-ldn: 50,- Abonnmntn kunnn lk momnt ingaan. Abonnmntn wordn automatisch vrlngd tnzij vóór 1 novmbr van ht lopnd jaar n schriftlijk opzgging is ontvangn. diti 53 nummr 236 juni 2007 Mt dank aan: Dr. Frank d Bruijn, ECN, Pttn -mail: dbruijn@cn.nl Prof.dr. Grt Jan Kramr, TU Eindhovn n Shll Hydrogn BV, Amstrdam -mail: grtjan.kramr@shll.com Basisontwrp: Mnno Landstra