Tegenwoordig racet de wereld richting een toekomst van duurzame energie. Hoewel de uiteindelijke winnaar onbekend is, is waterstof een duidelijke koploper geworden, die talloze mogelijkheden biedt voor energieproductie, -distributie en -toepassing. Om het mysterie van de titel brandstofcelvoordelen op te lossen, beginnen we met wat brandstofcellen zijn en wat hun typen zijn. Daarna zullen we alles ontdekken over hun voor- en nadelen.
Brandstofcellen bestaan al meer dan 150 jaar en bieden een eindeloze, ecologisch veilige en constant beschikbare energiebron. Waarom worden ze dan nog niet overal gebruikt? Tot voor kort was dat vanwege de kosten. De cellen waren onbetaalbaar duur om te produceren. Dat is niet langer het geval.
Wat is een brandstofcel?
Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat chemische energie omzet in bruikbare elektrische stroom. Elke brandstofcel heeft twee elektroden, bekend als de anode en kathode. De elektroden zijn de plek waar de reacties plaatsvinden die elektriciteit genereren.
Elke brandstofcel heeft ook een elektrolyt, die elektrisch geladen deeltjes van de ene elektrode naar de andere transporteert, en een katalysator, die de reacties bij de elektroden versnelt. Hoewel waterstof de meest basale brandstof is, hebben brandstofcellen ook zuurstof nodig. Een van de meest aantrekkelijke aspecten van brandstofcellen is dat ze heel weinig vervuiling Een groot deel van de waterstof en zuurstof die nodig zijn om energie op te wekken, vermengt zich uiteindelijk tot een onschadelijk bijproduct: voornamelijk water.
Eén enkele brandstofcel produceert een verwaarloosbare hoeveelheid gelijkstroom (DC). In de praktijk worden meerdere brandstofcellen vaak op elkaar gestapeld. De concepten zijn hetzelfde, of het nu in een cel of een stapel is. Laten we hierna de voor- en nadelen van brandstofcellen onderzoeken.
4 Voordelen en nadelen van brandstofcellen
Sir William Robert Grove, een Welshe rechter, uitvinder en wetenschapper, vond in 1839 de eerste brandstofcel uit. Hij creëerde elektriciteit en water door waterstof en zuurstof te combineren in de aanwezigheid van een elektrolyt. De innovatie, later bekend als een brandstofcel, genereerde niet genoeg elektriciteit om nuttig te zijn. Laten we dus eens wat brandstofcel- voor-en nadelen.
Voordelen
1. Geen opladen nodig
Een brandstofcel hoeft niet te worden opgeladen. Een brandstofcel kan energie repliceren totdat deze wordt voorzien van brandstof.
2. Geen gezondheidsproblemen
Brandstofcellen zijn niet gevaarlijk en veroorzaken geen gezondheidsproblemen, omdat ze tijdens de werking geen rook of smog produceren.
3. doeltreffend
Brandstofcellen zijn extreem efficiënt omdat ze chemische energie direct kunnen omzetten in elektrische energie. In vergelijking met andere toegankelijke marktalternatieven zijn brandstofcellen 60% efficiënter.
4. Vervuilingsvrij
Brandstofcellen hebben geen negatieve impact op luchtvervuiling. Dit is een van de meest opvallende voordelen van andere brandstofcelvoordelen. Omdat een brandstofcel geen mechanische onderdelen heeft, is deze volledig stil en dus ook geen geluidsoverlast.
Als waterstof als brandstof wordt gebruikt, zijn de enige bijproducten die worden waargenomen water, warmte en elektriciteit. Dit resulteert in een maximale efficiëntie en geen uitstoot van schadelijke stoffen.
Nadelen
1. Duur en niet duurzaam
Net als brandstofcellen hebben ze ook nadelen. Zoals: ze zijn vrij duur van aard. Brandstofcellen hebben een kortere levensduur.
2. Moeilijk op te slaan
Brandstofcellen zijn lastig op te slaan, omdat de brandstof die in de cellen wordt gebruikt op een specifieke temperatuur en druk moet worden gehouden.
3. Onveilig en gevaarlijk
Waterstof is een zeer brandbare brandstof, wat voor de hand liggende veiligheidsproblemen oplevert. In de lucht verbrandt waterstofgas in concentraties variërend van 4 tot 75%.
4. Moeilijk te extraheren
Ondanks dat het het meest voorkomende element in het heelal is, bestaat waterstof niet op zichzelf, dus moet het uit water worden gehaald door elektrolyse of worden geïsoleerd uit fossiele brandstoffen op basis van koolstof. Beide benaderingen vereisen een aanzienlijke hoeveelheid energie om te voltooien.
Deze energie kan duurder zijn dan die verkregen uit waterstof zelf. Bovendien vereist deze extractie, bij gebrek aan CCS, vaak het gebruik van fossiele brandstoffen, wat de ecologische geloofsbrieven van waterstof ondermijnt.
Wat zijn de verschillende soorten brandstofcellen?
Nadat we de voor- en nadelen van brandstofcellen hebben geleerd, gaan we ook de verschillende soorten brandstofcellen leren kennen. Het belangrijkste onderscheid tussen brandstofcellen is de type elektrolyt gebruiktDeze classificatie definieert het type van:
- Elektrochemische processen die in de cel plaatsvinden
- Het type katalysatoren dat nodig is
- Het temperatuurbereik waarbij de cel functioneert
- De benodigde brandstof en andere criteria.
Deze eigenschappen beïnvloeden op hun beurt de toepassingen waarvoor deze cellen het meest geschikt zijn. Er worden momenteel verschillende soorten brandstofcellen ontwikkeld, elk met zijn eigen set voordelen, beperkingen en mogelijke toepassingen. Lees hieronder meer over de soorten brandstofcellen.
1. Elektrolytmembraanpolymeerbrandstofcellen
Polymeer elektrolytmembraan (PEM) brandstofcellen, ook bekend als protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen, hebben een hoge vermogensdichtheid en laag gewicht en volume vergeleken met conventionele brandstofcellen. De elektrolyt van PEM-brandstofcellen is een vast polymeer, en de elektroden zijn poreus koolstof met een platina of platinalegering katalysator. Ze hebben alleen waterstof, zuurstof uit de lucht en water nodig om te functioneren. Ze worden doorgaans aangestuurd door zuivere waterstof die wordt geleverd door opslagtanks of reformers.
PEM-brandstofcellen functie bij lage temperaturen, meestal rond de 80°C (176°F). Door de lage temperatuur kunnen ze snel starten (met een kortere opwarmtijd) en slijten de systeemcomponenten minder, wat resulteert in een grotere duurzaamheid. Het vereist echter het gebruik van een edelmetaalkatalysator (meestal platina) om de elektronen en protonen van de waterstof te scheiden, wat de systeemkosten verhoogt. Omdat de platinakatalysator bijzonder gevoelig is voor koolmonoxidevergiftiging, is een extra reactor vereist om koolmonoxide in het brandstofgas te verwijderen als de waterstof wordt geproduceerd uit een koolwaterstofbrandstof. Deze reactor is ook duur.
PEM-brandstofcellen zijn meestal werkzaam in transport en enkele stationaire toepassingen. PEM-brandstofcellen zijn vooral geschikt voor gebruik in automobieltoepassingen zoals auto's, bussen en zware vrachtwagens.
2. Cellen voor directe methanolbrandstof
De meeste brandstofcellen worden aangestuurd door waterstof, dat direct in het systeem kan worden geleverd of binnen het systeem kan worden gecreëerd door waterstofrijke brandstoffen zoals methanol, ethanol en koolwaterstofbrandstoffen te hervormen. Directe methanolbrandstofcellen (DMFC's) zijn echter aangedreven door pure methanol, dat doorgaans met water wordt gemengd en rechtstreeks naar de anode van de brandstofcel wordt geleid.
Omdat methanol een hogere energiedichtheid dan waterstof, maar minder dan benzine of dieselbrandstof. Directe methanolbrandstofcellen vermijden veel van de problemen met brandstofopslag die sommige brandstofcelsystemen teisteren. Omdat methanol een vloeistof is, net als benzine, is het ook gemakkelijker te transporteren en te leveren aan het publiek met behulp van onze huidige infrastructuur. DMFC's worden vaak gebruikt om draagbare brandstofceltoepassingen zoals mobiele telefoons en laptops van stroom te voorzien.
3. Cellen voor alkalische brandstof
Alkaline brandstofcellen (AFC's) behoorden tot de eerste brandstofceltechnologieën die werden uitgevonden en ze waren het eerste type dat op grote schaal werd gebruikt in het Amerikaanse ruimtevaartprogramma om elektrische energie en water aan boord van ruimtevaartuigen te genereren. De elektrolyt in deze brandstofcellen is een oplossing van kaliumhydroxide in water, en de anode en kathode kunnen uit een aantal niet-edele metalen bestaan.
Een belangrijke uitdaging voor dit type brandstofcel is dat het vatbaar voor kooldioxidevergiftiging (CO2). Zelfs sporen van CO2 in de lucht kunnen een aanzienlijke impact hebben op de celprestaties en duurzaamheid vanwege de carbonaatproductie. Alkalische cellen met vloeibare elektrolyten kunnen in een recirculerende modus worden gebruikt, wat elektrolytregeneratie mogelijk maakt om de impact van carbonaatproductie in de elektrolyt te verminderen, maar ook stroomproblemen introduceert en shunt.
Bijkomende problemen met vloeibare elektrolytsystemen omvatten bevochtigbaarheid, verhoogde corrosie en moeilijkheden bij het beheersen van drukverschillen. Deze moeilijkheden worden aangepakt door alkalische membraanbrandstofcellen (AMFC's), die minder vatbaar zijn voor CO2-vergiftiging dan vloeibare-elektrolyt-AFC's. CO2 blijft echter een impact hebben op de prestaties en de prestaties en duurzaamheid van AMFC's blijven achter bij die van PEMFC's.
Er wordt onderzoek gedaan naar AMFC's toepassingen variërend van W tot kW. Tolerantie voor koolstofdioxide, membraangeleidbaarheid en duurzaamheid, werking bij hogere temperaturen, waterbeheer, vermogensdichtheid en anode-elektrokatalyse zijn allemaal uitdagingen voor AMFC's.
4. Cellen van fosforzuur
PAFC's Gebruik vloeibaar fosforzuur als elektrolyt (het zuur wordt vastgehouden in een Teflon-gebonden siliciumcarbidematrix) en poreuze koolstofelektroden met een platinakatalysator. Het diagram rechts toont de elektrochemische reacties die in de cel plaatsvinden.
De PAFC is beschouwd als een hedendaagse brandstofcel van de "eerste generatie". Het is een van de meest ontwikkelde celsoorten en de eerste die op de markt is gebracht. Hoewel dit type brandstofcel normaal gesproken wordt gebruikt om stationaire energie op te wekken, zijn sommige PAFC's gebruikt om grote voertuigen zoals stadsbussen van stroom te voorzien.
PAFC's zijn resistenter aan onzuiverheden in hervormde fossiele brandstoffen dan PEM-cellen, die gemakkelijk worden "vergiftigd" door koolmonoxide omdat koolmonoxide zich bindt aan de platinakatalysator bij de anode, waardoor de efficiëntie van de brandstofcel afneemt. PAFC's zijn meer dan 85% efficiënt wanneer ze worden gebruikt om zowel elektriciteit als warmte op te wekken, maar ze zijn minder efficiënt wanneer ze alleen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken (37%-42%).
Het efficiëntie van PAFC's is slechts iets hoger dan die van op verbranding gebaseerde elektriciteitscentrales, die normaal gesproken rond de 33% efficiëntie draaien. Gegeven hetzelfde gewicht en volume, zijn PAFC's eveneens minder krachtig dan andere brandstofcellen. Deze brandstofcellen zijn dus doorgaans groot en zwaar. PAC's zijn ook kostbaar. Ze vereisen aanzienlijk grotere platinakatalysatorladingen dan andere vormen van brandstofcellen, wat de kosten verhoogt.
5. Brandstofcellen voor gesmolten carbonaat
Gesmolten carbonaatbrandstofcellen (MCFC's) worden ontwikkeld voor aardgas- en kolengestookte elektriciteitscentrales, evenals voor elektriciteitsnutsbedrijven, industriële en militaire toepassingen. MCFC's zijn brandstofcellen met hoge temperatuur die gebruik een elektrolyt die bestaat uit gesmolten carbonaatzouten zwevend in een poreuze, chemisch inerte keramische lithiumaluminiumoxidematrix. Niet-edele metalen kunnen worden gebruikt als katalysatoren bij de anode en kathode, omdat ze werken bij hoge temperaturen van 650°C (ongeveer 1,200°F).
Een andere reden waarom MCFC's aanzienlijke kostenbesparingen bieden ten opzichte van fosforzuurbrandstofcellen is verbeterde efficiëntie. Wanneer ze worden gecombineerd met een turbine, kunnen gesmolten carbonaatbrandstofcellen een efficiëntie bereiken van bijna 65%, wat aanzienlijk hoger is dan de efficiëntie van 37%-42% van een fosforzuurbrandstofcel. De algehele brandstofefficiëntie kan 85% overschrijden wanneer restwarmte wordt teruggewonnen en gebruikt.
MCFC's hebben geen externe hervormer nodig om aardgas en biogas om te zetten in waterstof. Omdat MCFC's op hoge temperaturen werken, worden methaan en andere lichte koolwaterstoffen in deze brandstoffen in de brandstofcel zelf omgezet in waterstof via een proces dat bekend staat als interne reforming, wat ook geld bespaart.
Het fundamentele nadeel van de bestaande MCFC-technologie is de Korte levensduur. De hoge bedrijfstemperaturen van deze cellen, samen met de gebruikte bijtende elektrolyt, versnellen componentafbraak en corrosie, waardoor de levensduur van de cel wordt verkort. Wetenschappers onderzoeken momenteel corrosiebestendige materialen voor componenten, evenals brandstofcelontwerpen die de levensduur van de cel kunnen verdubbelen van de huidige 40,000 uur (vijf jaar) zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
6. Cellen voor vaste-oxidebrandstof
In vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's) is de elektrolyt is een dichte, niet-poreuze keramische. SOFC's zetten brandstof om in elektriciteit met een efficiëntie van ongeveer 60%. De algehele efficiëntie van brandstofgebruik kan 85% overschrijden in systemen die bedoeld zijn om de restwarmte van het systeem op te vangen en te gebruiken (cogeneratie).
SOFC's functioneren bij extreem hoge temperaturen, tot 1,000 °C (1,830 °F). Hogetemperatuurwerking elimineert de noodzaak voor een edelmetaalkatalysator, wat de kosten verlaagt. Het stelt SOFC's ook in staat om brandstoffen intern te hervormen, waardoor ze een breder scala aan brandstoffen kunnen gebruiken en de kosten van het toevoegen van een hervormer aan het systeem worden verlaagd.
SOFC's zijn ook het meest zwavelbestendige type brandstofcel, in staat om ordes van grootte meer zwavel te weerstaan dan andere celtypen. Bovendien worden ze niet geschaad door koolmonoxide, dat zelfs als brandstof kan worden gebruikt. Deze eigenschap stelt SOFC's in staat om aardgas, biogas en van steenkool afgeleide gassen te gebruiken. Er zijn nadelen aan het werken bij hoge temperaturen.
Het veroorzaakt een vertraagde start en vereist uitgebreide thermische afscherming om warmte te behouden en werknemers te beschermen, wat prima is voor nutsdoeleinden, maar niet voor transport. Vanwege de hoge bedrijfstemperaturen, materialen moeten voldoen aan strenge duurzaamheidsnormen. De voornaamste technische moeilijkheid voor deze technologie is de ontwikkeling van goedkope materialen met een hoge duurzaamheid bij celbedrijfstemperaturen.
Wetenschappers onderzoeken nu de mogelijkheid om SOFC's met een lagere temperatuur te bouwen die werken bij of onder 700°C, minder duurzaamheidsproblemen hebben en minder duur zijn. SOFC's met een lagere temperatuur hebben de prestaties van systemen met een hogere temperatuur nog niet geëvenaard en stapelmaterialen voor dit lagere temperatuurbereik worden nog steeds ontwikkeld.
7. Omkeerbare brandstofcellen
Omkeerbare brandstofcellen, zoals conventionele brandstofcellen, creëren elektriciteit uit waterstof en zuurstof, terwijl ze ook warmte en water produceren als bijproducten. Omkeerbare brandstofcelsystemen daarentegen, kan elektriciteit gebruiken van zonne-, wind- of andere bronnen om water te splitsen in zuurstof en waterstof als brandstof via een proces dat elektrolyse wordt genoemd.
Omkeerbare brandstofcellen kunnen elektriciteit produceren wanneer het nodig is, maar tijdens periodes van hoge vermogensoutput van andere technologieën (bijvoorbeeld wanneer harde wind resulteert in een overschot aan beschikbare windenergie), kunnen omkeerbare brandstofcellen de overtollige energie opslaan in de vorm van waterstof. Deze energieopslagcapaciteit heeft het potentieel om een game changer te zijn voor intermitterende hernieuwbare energietechnologie. Laten we hierna meer leren over het werkingsprincipe van brandstofcellen.
Zie ook: Top 3 groene energieaandelen in India
Wat is het werkingsprincipe van een brandstofcel?
Nadat u meer te weten bent gekomen over de voordelen van brandstofcellen, moet u ook meer te weten komen over het werkingsprincipe van brandstofcellen. Een brandstofcel is gemaakt van twee elektroden, een anode en een kathode gescheiden door een elektrolytmembraan. Waterstof, methaan, ethaan, ethanol en andere organische brandstoffen kunnen in een brandstofcel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Deze brandstoffen ondergaan een onvolledige verbranding en geven warmte af als bijproduct. De meeste van deze reacties zijn redox van aard en creëren water en koolstofdioxide als bijproducten.
Het transport van elektronen in redoxreacties resulteert in de omzetting van chemische energie in elektrische energie. Tussen de elektroden ligt een elektrolytsubstantie. Brandstof wordt afzonderlijk aan elke elektrode geleverd. Veronderstel dat in een brandstofcel waterstof aan de anode wordt geleverd en lucht aan de kathode wordt gevoerd. In dit geval heeft de katalysator aan de anodezijde van de cel de neiging om de waterstofmoleculen af te breken tot kleinere deeltjes, zoals protonen en elektronen.
Beide elementen proberen via verschillende routes naar de kathode te reizen. De elektronen volgen een extern kanaal naar de kathode, wat stroom levert, terwijl de protonen door het elektrolytmembraan naar de kathode gaan, waar ze reageren met zuurstofmoleculen en elektronen om water en warmte als bijproducten te vormen.
Lees ook: Top 30+ bedrijven voor hernieuwbare energie in India
Noem enkele toepassingen van brandstofcellen
Laten we eens kijken naar tien toepassingen voor waterstofbrandstofcellen, waarvan u er misschien een aantal nog niet kent!
1. Magazijnbeheer: Verschillende grote opslag- en distributiebedrijven stappen over op waterstofbrandstofcellen om schone vrachtwagens, heftrucks, palletwagens en andere apparatuur van stroom te voorzien.
2. Internationale distributie: Brandstofcellen hebben het bereik en de kracht die nodig zijn voor langeafstandstransport en lokale distributie. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth en UPS produceren al waterstofaangedreven vrachtwagens en bestelwagens.
3. Bussen: Waterstofenergie wordt onderzocht voor gebruik in verschillende vormen van openbaar vervoer, waaronder waterstofbrandstofcelbussen. Verschillende grote steden hebben geëxperimenteerd met waterstofbussen, waaronder Chicago, Vancouver, Londen en Beijing.
4. Treinen: Waterstofbrandstofceltreinen zijn inmiddels in Duitsland gearriveerd en naar verwachting zullen er de komende vijf jaar meer types arriveren in het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Italië, Japan, Zuid-Korea en de Verenigde Staten.
5. Individuele voertuigen: Negen grote autofabrikanten werken aan waterstofbrandstofcel-elektrische voertuigen (HFCEV's) voor persoonlijk gebruik. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo en BMW I Hydrogen Next behoren tot de opvallende modellen.
6. Vliegtuigen: Verschillende experimentele projecten, waaronder de Pathfinder en Helios prototypes, hebben het gebruik van waterstofbrandstofcellen in de lucht- en ruimtevaart onderzocht. Deze onbemande langeafstandsvoertuigen gebruikten een hybride systeem met waterstofbrandstofcellen die werden aangestuurd door zonnepanelen, wat theoretisch onbeperkte dag- en nachtvluchten mogelijk maakte.
7. Generatie van noodstroom: Stationaire brandstofcellen worden gebruikt in UPS-systemen (Uninterruptible Power Supply) waarbij continue uptime belangrijk is. Ziekenhuizen en datacenters stappen steeds vaker over op waterstof voor een ononderbroken stroomvoorziening. Microsoft kwam onlangs in het nieuws vanwege een succesvolle test van zijn nieuwe waterstofback-upgeneratoren, waardoor de server van een datacenter twee dagen lang op alleen waterstof kon functioneren.
8. Generatie van mobiele energie: Waterstof biedt talloze keuzes voor mobiele energieopwekking. NASA produceerde zelfs een aantal van de eerste waterstofbrandstofcellen om raketten en spaceshuttles in de ruimte van stroom te voorzien.
9. Onbemande luchtvoertuigen (UAV's): Veel innovatieve toepassingen van UAV's (d.w.z. drones), variërend van pakketbezorging tot zoek- en reddingsmissies, worden ernstig belemmerd door het vermogen en bereik van standaardbatterijen. Zowel het leger als particuliere bedrijven zijn van plan deze problemen aan te pakken met waterstofbrandstofcellen, die tot drie keer het bereik hebben van apparaten op batterijen. Brandstofcellen bieden een grotere energie-tot-massaverhouding en kunnen binnen enkele minuten worden opgeladen.
10. Boten en onderzeeërs: Waterstofbrandstofcellen worden gebruikt in verschillende maritieme toepassingen. Sommige boten, zoals de Energy Observer, creëren zelfs hun eigen waterstof voor een brandstofcelsysteem met behulp van zonnepanelen en windturbines aan boord. Waterstofbrandstofcellen bieden een alternatief voor kernenergie voor militaire stealth-onderzeeërs zoals de Duitse Type 212, met een groot bereik, een stille vaart en weinig uitlaatwarmte.
Brandstofcellen zijn een veelbelovende vervanging voor de huidige autobrandstoffen. Hoewel bepaalde onderdelen van de technologie, zoals effectieve opslag aan boord, meer ontwikkeling vereisen, is er geen reden waarom brandstofcellen niet net zo'n handige en aantrekkelijke transportbrandstof kunnen worden als diesel of benzine vandaag de dag. Ik hoop dat dit artikel het gemakkelijk maakte om de voor- en nadelen van brandstofcellen te begrijpen. Deel uw vragen in de commentaarsectie.
Aanbevolen: Voordelen en nadelen van getijdenenergie
