Les 4 brandstofcellen

Les 4 brandstofcellen

Lesdoel

Aan het eind van de les kan de student verschillende brandstofcellen herkennen en de werking ervan verklaren. Tevens kunnen ze inschatten welke toepassingen geschikt zijn voor verschillende typen brandstofcellen.

Herhaling les 3

Opdracht: ga bij elkaar kijken waar verschillende groepjes de opslag geplaatst hebben. Vergelijk dit met je eigen plaatsing en methode van opslaan. 

Brandstofcellen

Voor deze les gaan we vijf verschillende type brandstofcellen behandelen:

• Proton Exchange Membrane
• Solid Oxide Fuel Cell
• Molten Carbonate Fuel Cell
• Alkaline Fuel Cell
• Direct Methanol Fuel Cell

Proton Exchange Membrane (PEM)

Type brandstofcel dat waterstof en zuurstof omzet naar elektriciteit. Bijproducten zijn water en warmte. Het rendement is ongeveer 40 - 60%

Het bestaat uit drie componenten:

1. Anode
2. Membraam
3. Kathode

Proton Exchange Membrane (PEM)

Anode:

Waterstof (H2) wordt aan de anode zijde toegevoerd. Hier wordt

het waterstofmolecuul gesplitst in protonen en elektronen door een katalysator, meestal platina.  

Membraam:

De protonen passeren het polymeer elektrolyt membraam naar de kathodezijde, terwijl de elektronen via een extern circuit worden geleidt, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. 

Proton Exchange Membrane (PEM)

Kathode:

Aan de kathodezijde reageren de protonen en elektronen met zuurstof om water te creëren. 

Proton Exchange Membrane (PEM)

Voordelen:

Snelle opstart: PEM's kunnen snel opstarten en reageren snel op verandering in belasting.

Hoge vermogensdichtheid: ze kunnen relatief veel vermogen leveren in vergelijking met andere brandstofceltypen.

Compact en lichtgewicht: Door het gebruik van een dun membraam en compacte componenten zijn deze brandstofcellen geschikt voor mobiele toepassingen.

Proton Exchange Membrane (PEM)

Nadelen:

Kosten: de katalysator, meestal platina, is duur

Zuiverheid van waterstof: Dit type vraagt zeer zuivere waterstof om goed te kunnen functioneren, omdat onzuiverheden als koolstofmonoxide de katalysator kunnen vergiftigen.

Levensduur: De levensduur van de brandstofcel kan beperkt zijn door degradatie van het membraam en de katalysator.

Proton Exchange Membrane (PEM)

Toepassingen:

Voertuigen: Veel gebruikt in auto's, bussen en andere voertuigen vanwege hun snelle opstarttijd en vermogensdichtheid.

Stationaire energieopslag: Gebruikt voor het opslaan van energie in huizen of bedrijven. 

Draagbare apparaten: Toegepast in draagbare energiebronnen als laptops en mobiele telefoon. 

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Is een brandstofcel die werkt bij hoge temperaturen, meestal tussen 650 en 1000 graden Celsius. Het gebruikt een vaste oxide elektrolyt, vaak gemaakt van yttrium-gestabiliseerd zirkonium (YSZ), om zuurstofionen van de kathode naar de anode te geleiden. Het bestaat dus uit drie componenten:

1. Kathode
2. Elektrolyt
3. Anode

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Kathode: Aan de kathodezijde wordt zuurstofgas uit de lucht aangevoerd. De zuurstofmoleculen worden gereduceerd tot zuurstofionen door een katalysator. 

Elektrolyt: De zuurstofionen migreren door de vast oxide elektrolyt naar de anodezijde. 

Anode: Aan de anodezijde reageren zuurstofionen met waterstof, om water koolstofdioxide en elektronen te vormen. De elektronen stromen door een extern circuit waardoor elektriciteit wordt opgewekt. 

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Voordelen:

Hoge efficiëntie: SOFC hebben een hoge elektrische efficiëntie, vaak rond 60%, en kunnen hogere totale efficiëntie bereiken wanneer de geproduceerde wordt gebruikt in bijvoorbeeld een warmtekrachtkoppeling. 

Brandstof flexibiliteit: SOFC's kunnen verschillende brandstoffen gebruiken, waaronder waterstof, aardgas, biogas en andere koolwaterstoffen. 

Geen edelmetalen: In tegenstellen tot PEM's gebruiken SOFC's geen dure edelmetalen als platina voor een katalysator. 

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Nadelen:

Hoge bedrijfstemperaturen: De hoge bedrijfstemperatuur kan leiden tot materiaaldegradatie en vereist hittebestendige materialen, wat de kosten en complexiteit verhoogt. 

Opstarttijd: SOFC's hebben een lange opstarttijd vanwege de hoge bedrijfstemperatuur, wat ze minder geschikt maakt voor toepassingen die snelle opstart vereisen.

Kosten: De productie en materialen van SOFC's kunnen duur zijn, hoewel de afwezigheid van edelmetalen dit deels compenseert

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Toepassingen:

Stationaire Energieopslag: SOFC's worden vaak gebruikt voor stationaire energieopslag en -opwekking, zoals in elektriciteitscentrales en voor het leveren van stroom aan gebouwen.

Industriële Toepassingen: Ze worden ook gebruikt in industriële processen die een betrouwbare en efficiënte energiebron vereisen.

Micro-CHP Systemen: SOFC's worden gebruikt in micro-warmtekrachtkoppelingssystemen (micro-CHP) voor huishoudens en kleine bedrijven, waarbij zowel elektriciteit als warmte wordt geproduceerd.

Bijzonderheden: Ook te gebruiken als elektrolyser.

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Is een brandstofcel die werkt bij hoge temperaturen, meestal tussen 650°C en 700°C. Het elektrolyt in een MCFC bestaat uit gesmolten carbonaten, zoals lithium-, kalium- of natriumcarbonaten, die zeer goed geleidend zijn door de vrije carbonaationen. Ook deze brandstofcel bestaat uit drie componenten:

1. Kathode
2. Elektrolyt
3. Anode

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Kathode: Aan de kathodezijde wordt zuurstofgas (O₂) uit de lucht aangevoerd. De zuurstofmoleculen reageren met koolstofdioxide (CO₂) en elektronen (e⁻) om carbonaationen (CO₃²⁻) te vormen.

Elektrolyt: De carbonaationen migreren door het gesmolten elektrolyt naar de anodezijde.

Anode: Aan de anodezijde reageren de carbonaationen met waterstofgas (H₂) of koolwaterstoffen (zoals aardgas) om water (H₂O), kooldioxide (CO₂) en elektronen (e⁻) te vormen. De elektronen stromen door een extern circuit, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Voordelen:

Hoge Efficiëntie: MCFC's hebben een hoge elektrische efficiëntie, vaak rond de 50-60%.

Brandstof Flexibiliteit: MCFC's kunnen verschillende brandstoffen gebruiken, waaronder waterstof, aardgas, biogas en andere koolwaterstoffen.

Geen Edelmetalen: In tegenstelling tot PEMFC's, gebruiken MCFC's geen dure edelmetalen zoals platina als katalysator.

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Nadelen:

Hoge Bedrijfstemperatuur: De hoge bedrijfstemperatuur kan leiden tot materiaaldegradatie en vereist hittebestendige materialen, wat de kosten en complexiteit verhoogt.

Corrosief Elektrolyt: Het gesmolten elektrolyt is corrosief, wat de levensduur van de brandstofcel kan beïnvloeden.

Opstarttijd: MCFC's hebben een lange opstarttijd vanwege de hoge bedrijfstemperatuur, wat ze minder geschikt maakt voor toepassingen die snelle opstart vereisen.

Molton Carbonite Fuel Cell (MCFC)

Toepassingen:

Stationaire Energieopslag: MCFC's worden vaak gebruikt voor stationaire energieopslag en -opwekking, zoals in elektriciteitscentrales en voor het leveren van stroom aan gebouwen.

Industriële Toepassingen: Ze worden ook gebruikt in industriële processen die een betrouwbare en efficiënte energiebron vereisen.

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Een Alkaline Fuel Cell (AFC) is een brandstofcel die waterstof en zuurstof omzet in elektriciteit, met water en warmte als bijproducten. Het belangrijkste kenmerk van een AFC is het gebruik van een alkalische elektrolyt, die zeer goed geleidend is voor hydroxide-ionen (OH⁻). Zoals alle andere brandstofcellen, bestaat het uit drie componenten:

1. Anode
2. Elektrolyt
3. Kathode

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Anode: Waterstofgas (H₂) wordt aan de anodezijde toegevoerd. Hier wordt het waterstofmolecuul gesplitst in protonen (H⁺) en elektronen (e⁻) door een katalysator, meestal platina.

Elektrolyt: De protonen reageren met hydroxide-ionen (OH⁻) in de elektrolyt om water (H₂O) te vormen, terwijl de elektronen via een extern circuit worden geleid, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Kathode: Aan de kathodezijde reageren de elektronen met zuurstofgas (O₂) en water om hydroxide-ionen (OH⁻) te vormen, die terugkeren naar de anodezijde.

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Voordelen:

Hoge Efficiëntie: AFC's hebben een hoge elektrische efficiëntie, vaak rond de 60-70%.

Snelle Opstart: AFC's kunnen snel opstarten en reageren snel op veranderingen in belasting.

Geen Edelmetalen: In tegenstelling tot PEMFC's, kunnen AFC's goed functioneren met goedkopere katalysatoren.

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Nadelen:

Gevoeligheid voor CO en CO₂: AFC's zijn gevoelig voor koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂), die de elektrolyt kunnen vervuilen en de prestaties kunnen verminderen.

Corrosief Elektrolyt: Het gebruik van kaliumhydroxide (KOH) als elektrolyt kan corrosieproblemen veroorzaken.

Kosten: Hoewel de katalysatoren goedkoper kunnen zijn, kunnen de materialen en productieprocessen duur zijn.

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Toepassingen:

Ruimtevaart: AFC's zijn gebruikt in ruimtevaartuigen, zoals de Apollo-missies, voor de productie van elektriciteit en water.

Stationaire Energieopslag: Gebruikt voor het opslaan van energie in huizen en bedrijven.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Een Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is een brandstofcel die methanol (CH₃OH) en zuurstof omzet in elektriciteit, met water en kooldioxide als bijproducten. Het belangrijkste kenmerk van een DMFC is het gebruik van een polymeer elektrolyt membraan, vergelijkbaar met dat van een PEMFC, maar met methanol als brandstof in plaats van waterstof. Geen verrassing; ook deze brandstofcel heeft drie componenten:

1. Anode
2. Membraam
3. Kathode

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Anode: Methanol (CH₃OH) wordt aan de anodezijde toegevoerd. Hier wordt het methanolmolecuul geoxideerd tot kooldioxide (CO₂), protonen (H⁺) en elektronen (e⁻) door een katalysator, meestal platina-ruthenium.

Membraan: De protonen passeren door het polymeer elektrolyt membraan naar de kathodezijde, terwijl de elektronen via een extern circuit worden geleid, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Kathode: Aan de kathodezijde reageren de protonen en elektronen met zuurstofgas (O₂) om water (H₂O) te vormen.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Voordelen:

Snelle Opstart: DMFC's kunnen snel opstarten en reageren snel op veranderingen in belasting.

Methanol als Brandstof: Methanol is vloeibaar bij kamertemperatuur, wat het gemakkelijker maakt om op te slaan en te transporteren in vergelijking met waterstof.

Compact en Lichtgewicht: Door het gebruik van een dun membraan en compacte componenten zijn DMFC's geschikt voor draagbare toepassingen.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Nadelen:

Kosten: De katalysator, meestal platina-ruthenium, is duur.

Rendement: DMFC's hebben een lager rendement (40-60%) in vergelijking met sommige andere brandstofceltypen.

Methanol: Methanol is giftig en moet zorgvuldig worden behandeld en opgeslagen.

Uitstoot: Er komt CO vrij bij het bedienen van de brandstofcel

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Toepassingen:

Kleine Voertuigen: Toegepast in kleine voertuigen zoals scooters en golfkarretjes.

Stationaire Energieopslag: Gebruikt voor het opslaan van energie in kleine huishoudelijke toepassingen.

Militair: Betrouwbare energiebron voor communicatie apparatuur

Industrie: Soms gebruikt voor het bedienen van heftrucks

Wat zijn de belangrijkste voordelen van een PEMFC?

Welke uitdagingen zijn er verbonden aan het gebruik van een Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)?

Hoe werkt een Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) en wat zijn de voor- en nadelen?

Wat zijn de toepassingen van een Alkaline Fuel Cell (AFC)?

Waarom is methanol een geschikte brandstof voor een Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)?

Wat is het nadeel van een PEMFC?

1. Lage efficiëntie
2. Hoge bedrijfstemperatuur
3. Vereist zeer pure waterstof
4. Langzame opstarttijd

Welke van de volgende materialen wordt gebruikt als een elektrolyt in een Solid Oxide Fuel Cell?

1. Polymeer plaat
2. Gesmolten carbonaten
3. Kalium Hydroxide
4. Vaste oxiden (keramiek membraam)

Wat is een voordeel van een molten carbonate fuel cell?

1. Lage bedrijfstemperatuur
2. Gebruik van goedkope katalysatoren
3. Snelle opstarttijd
4. Geen corrosie problemen

Welke brandstofcel werd gebruikt in de ruimtevaart?

1. PEMFC
2. SOFC
3. MCFC
4. AFC

Wat is een nadeel van een Direct Methanol Fuel Cell?

1. Werkt alleen op methanol
2. Lage energiedichtheid
3. Hoge bedrijfstemperatuur
4. Langzame opstarttijd