De structuur van een brandstofcel is relatief eenvoudig:

• Twee elektroden, de anode en de kathode, zijn van elkaar gescheiden door een membraan (elektrolyt).
• Aan de ene kant stroomt waterstof en aan de andere kant zuurstof.
• Als chemisch element bestaat waterstof uit twee elektronen en twee protonen. Deze zijn gescheiden en gaan verschillende kanten op in de brandstofcel:
  • De protonen passeren het membraan direct naar de zijkant met de instromende zuurstof.
  • De elektronen nemen de omweg via het aangesloten circuit. Hierdoor stroomt er elektriciteit en geeft de brandstofcel elektrische energie door aan elektrische verbruikers (bijvoorbeeld de gloeilamp in figuur 1).
  • Wanneer de elektronen uiteindelijk de protonen aan de zuurstofzijde bereiken, ontstaat er onschadelijk water uit waterstofprotonen samen met de elektronen en de zuurstof.

Info: De algemene chemische vergelijking voor de reacties in de originele waterstofbrandstofcel * is:

2 H2 + O2 -> 2 H2O

* Bij verschillende soorten brandstofcellen wordt de basisvergelijking gedeeltelijk gewijzigd door toevoegingen. Voor een directe brandstofcel in methanol is de vergelijking bijvoorbeeld 2 CH3OH + 3 O2 -> 4 H2O + 2 CO2, dus er wordt wat koolstofdioxide gegenereerd.
De spanning in het circuit van een pure waterstof-zuurstof brandstofcel is ongeveer 1,2 volt. Door de cellen in serie te schakelen kunnen grotere spanningen worden opgewekt. Hiervoor worden de brandstofcellen “gestapeld”. De krachtige vorming van meerdere in serie geschakelde brandstofcellen wordt een stapel genoemd. Stapel komt uit het Engels en betekent stapel- of stapelgeheugen.

Waar worden brandstofcellen voor gebruikt?

Voor particuliere gebruikers zijn er momenteel brandstofcellen met een nominale spanning van 12 of 24 V. Dit is voldoende voor het opladen van een auto-accu of voor de directe voorziening van elektronische verbruikers aan boord van een stacaravan, een schip en andere mobiele locaties.
Tip: Brandstofcellen doen het ook goed in volkstuinkolonies, omdat ze het hele jaar door gebruikt kunnen worden en daardoor algemene stroomonderbrekingen in de wintermaanden kunnen overbruggen.

Welke brandstofcellen zijn er in de winkel?

In onze winkel vindt u zowel membraanbrandstofcellen als directe methanolbrandstofcellen.
De tegenwoordig vrij verkrijgbare brandstofcellen voor mobiel gebruik genereren elektrische stroom voor consumenten met een extra lage spanning tussen 12 en 24 V. U kunt bijvoorbeeld een brandstofcel gebruiken om mobiele telefoons en laptops op te laden, televisies en radio's te bedienen of een schijnwerper van stroom te voorzien. Zowel de waarden voor de spanning als het elektrisch vermogen van de aangesloten apparaten moeten compatibel zijn met de elektrische parameters van de brandstofcel. Dit vermogen ligt momenteel rond de 40 tot 380 watt voor brandstofcellen voor het laagspanningsbereik, dat kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan elektrische toepassingen met het oog op de trend naar kleine, energiebesparende apparaten.
Overigens wordt de hoeveelheid lading in brandstofcellen gespecificeerd in ampère-uren (Ah). De laadcapaciteit per dag kan dienovereenkomstig worden omgezet in de beschikbare stroomsterkte door het quotiënt 24.

Membraanbrandstofcellen (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Membraanbrandstofcellen wekken CO2-neutraal elektrische energie op. In bedrijf zijn deze brandstofcellen zeer stil in vergelijking met dieselgeneratoren en vergelijkbare alternatieven voor locatieonafhankelijke stroomopwekking.
U heeft alleen een waterstoffles nodig om een membraanbrandstofcel te bedienen.
De waterstofbrandstofcel kan worden geïntegreerd in bestaande energiesystemen. Met de optionele aansluiting van loodaccumulatoren, zoals een voertuigaccu, heeft u de mogelijkheid om door de brandstofcel opgewekte elektrische energie tijdelijk op te slaan voor later gebruik.

Afbeelding: Functioneel diagram van een membraanbrandstofcel (PEMFC)

Directe methanol brandstofcel (DMFC)

Directe methanol brandstofcellen zetten methanol en zuurstof om in de grondstoffen water en kooldioxide bij het opwekken van elektrische energie. De chemische vergelijking voor de reactie in de directe brandstofcel van methanol is:

2 CH3OH + 3 O2 -> 4 H2O + 2 CO2

Het aandeel CO2 dat wordt geproduceerd is niet bijzonder hoog, maar kamers moeten vaker worden geventileerd wanneer de methanolbrandstofcel werkt. Deze brandstofcellen kunnen ook stil worden gebruikt en besparen ruimte.

Om een directe methanolbrandstofcel te laten werken, heb je methanol nodig en af en toe wat onderhoudsvloeistof.
Let op: Helaas kan de benodigde methanol niet online worden verzonden. U kunt het verkrijgen bij onze lokale Conrad-vestigingen. Methanol kan alleen worden verkocht aan klanten van legale leeftijd.

Afbeelding: Functioneel diagram van een directe brandstofcel in methanol

Technologische vooruitgang: brandstofcellen hebben de toekomst!

De voordelen van de brandstofcel zijn:

• Eenvoudige opbouw
• emissievrije, stille werking
• Veelzijdigheid van de opgewekte elektrische energie voor het opladen van batterijen
• locatie-onafhankelijke applicaties.

Deze voordelen suggereren dat deze technologie in de toekomst zal prevaleren boven conventionele vormen van elektriciteitsopwekking en vooral voor mobiliteitstoepassingen.

Naast membraanbrandstofcellen (PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell) en directe methanolbrandstofcellen (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell) zijn er nog andere soorten brandstofcellen:

• Brandstofcel met vast oxide (SOFC)
• Alkalische brandstofcel (AFC)
• Fosforzuur brandstofcel (PAFC)
• Gesmolten carbonaatbrandstofcel (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)

In sommige van deze brandstofcellen gaan chemische reacties gepaard met hoge temperaturen.

Toepassingsgebieden die al zijn uitgeprobeerd zijn:

• Auto's als hybriden met brandstofcelaandrijving
• hernieuwbare energiebronnen in de vorm van zonnepanelen en brandstofcelverwarmingsapparatuur met warmteterugwinning
• Allerlei aandrijvingen voor grondvoertuigen, schepen, vliegtuigen en oa ook voor ruimteraketten

Tegenwoordig zijn dit nicheproducten, maar de trend van brandstofcellen zit in de lift.

De tekortkomingen waarmee de verspreiding van brandstofceltechnologie (momenteel) nog steeds problemen geeft:

• Voor een grootschalige toepassing zou eerst gezocht moeten worden naar manieren om waterstof in grote hoeveelheden te produceren. Er zijn hier al enkele interessante benaderingen, waarvan sommige werken met teruggewonnen energie uit andere aandrijftechnologieën.
• De huidige brandstofcellen zijn nog steeds te duur voor de massamarkt, vergeleken met bijvoorbeeld lithium-ionbatterijen.

Over het algemeen is op dit gebied nog wat onderzoek nodig. Desalniettemin presteert deze technologie duidelijk beter dan de ecologische voetafdruk en milieuvriendelijkheid. Het is daarom de moeite waard om het interessante onderwerp brandstofcellen en hun voortdurende ontwikkeling van dichtbij te bekijken.