2.7.4 Brandstofcellen
Werkingsprincipe
Een brandstofcel is een elektrochemisch systeem waarin chemische energie direct wordt omgezet in elektriciteit. Figuur 1 toont het basisschema van een brandstofcel waarin de reactanten (bv. waterstof en zuurstof) elektrochemisch omgezet worden in elektriciteit, warmte en water. De brandstofcel bestaat uit twee elektrodes (anode en kathode) en een elektrolyt.
Figuur 1: In- en output van brandstofcel
Er zijn verschillende types brandstofcellen, waarbij het type brandstofcel wordt genoemd naar het gebruikte elektrolyt:
alkalische brandstofcel , elektrolyt is een KOH-oplossing
PEM brandstofcel , elektrolyt is een polymeer membraan
PAFC , elektrolyt is fosforzuur
SOFC , elektrolyt is keramisch materiaal
MCFC , elektrolyt is gesmolten zout
Belangrijk bij deze opsomming is dat de bedrijfsvoeringstemperaturen van deze systemen onderling sterk verschillen, hetgeen duidelijk consequenties heeft op vlak van materiaal-technologie en op de mogelijkheden om brandstofcellen te gebruiken in WKK-toepassingen.
Zo ligt de werkingstemperatuur van de alkalische en PEM brandstofcellen momenteel onder de 100 °C; optimale temperaturen liggen eerder in de buurt van 60 – 70 °C. De fosforzure brandstofcel PAFC werkt op een temperatuur van circa 200 °C, terwijl de MCFC en SOFC op veel hogere temperaturen (650 respectievelijk 800 °C) werken.
Behalve de temperatuurverschillen is er ook een duidelijk verschil in de aan te bieden ‘brandstoffen’.
Bij alkalische brandstofcellen worden best zuivere waterstof als brandstof aangeboden; voor het verwijderen van CO2 uit de omgevingslucht worden momenteel beloftevolle oplossingen getest.
De PEM en PAFC-brandstofcelsystemen vereisen ook zuivere waterstof aan de anode (vooral bij de PEM-brandstofcel is toevoer van enkele ppm CO erg nadelig), maar kunnen aan de kathodezijde rechtstreeks gevoed worden met omgevingslucht. Deze brandstofceltypes kunnen ook met conventionele brandstoffen als aardgas, methanol,… werken, maar dan dient een reformer voorgeschakeld te worden aan de stack; deze reformer kraakt de ingaande brandstoffen tot een zogenaamd reformaat gas dat een groot aandeel waterstof in zich heeft.
De hoge tempratuur brandstofcellen, SOFC en MCFC, hebben het voordeel dat aan deze brandstofcellen direct de klassieke brandstoffen (aardgas,…) toegevoerd kunnen worden.
Voordelen brandstofcellen
Brandstofcellen hebben ten opzichte van de klassieke ‘prime movers’ zoals zuigermotoren en turbines een aantal voordelen
* hoog rendement
* goed deellastgedrag
* lage emissies
* modulair karakter
* geluidarm
* weinig bewegende delen
* ontwikkelde warmte kan gebruikt worden in warmtekrachtkoppeling
Toepassing als WKK
Inzet voor elektriciteitsproductie betekent meestal dat de ongeregelde DC-output van een brandstofcel via vermogenelektronica wordt omgezet in stabiele AC-elektriciteit die parallel met het openbare elektriciteitsnet kan functioneren. De vrijgekomen warmte van de stack kan benut worden voor bijvoorbeeld ruimteverwarming. Indien hoge temperatuur brandstofcellen worden gebruikt kan ook zelfs warmte voor stoomproductie aangewend kan worden.
In veel gevallen zal men bij WKK-toepassingen uitgaan van conventionele brandstoffen als input (bv. aardgas), zodat een reformer vereist is. Figuur 2 toont het algemene schema van een lage temperatuur brandstofcel met bijbehorende reformer en invertor.
Figuur 2 : Lage temperatuur brandstofcelsysteem in WKK-toepassing
Het zal duidelijk zijn dat dergelijke systemen met reformer en invertor aanzienlijk complexer zijn dat het schema uit figuur 1 en dit heeft natuurlijk ook een weerslag op het te bereiken rendement op het totale systeem.
Perspectieven en aandachtspunten
Momenteel zien we dat de eerste ontwikkelingen/demonstraties van brandstofcellen-WKK zich enerzijds richten op residentiële toepassingen (elektrisch vermogen < 10 kWe) of op tertaire/industriële toepassingen (elektrisch vermogen enkele 100’n kWe).
Bij de residentiële toepassingen gaat de meeste aandacht uit naar de veldtesten van het Vaillant/Plug Power systeem (PEM-technologie) , waarvan binnen een Europees project 25 systemen in-situ getest zullen worden. Daarnaast is er de ontwikkeling van kleinschalige SOFC-WKK systemen van Sulzer, die ook de eerste veldtesten initieert. Ook een aantal Amerikaanse en Japanse testprogramma’s rond dit toepassingsdomein worden momenteel gelanceerd.
Bij de grotere systemen zien we een concentratie bij ontwikkelingen van 100 – 300 kWe. Er zijn door UTC Feul Cells reeds meer dan 200 WKK-systemen op basis van PAFC-technologie gedemonstreerd. Daarnaast dienen zich momenteel een aantal beloftevolle testen aan bij SOFC (Siemens, Mistubishi,…) en MCFC (Fuel Cell Energy, MTU) aan, die belangrijk zijn voor de toekomst van brandstofcellen in dit segment. De ontwikkeling van PEM-WKK-systemen voor 250 kWe, enkele jaren geleden geïnitieerd door Ballard/Alstom is recent gestopt.
Ondanks de genoemde voordelen van brandstofcellen zal grootschalige introductie van brandstofcellen nog niet voor morgen zijn.
Belangrijke reden hiervoor is dat de verwachte prestaties van de brandstofcellen nog niet bewezen zijn; vooral op vlak van levensduur, onderhoud en betrouwbaarheid zijn er nog veel onbekenden. Daarnaast zijn de actuele brandstofcelsystemen nog een factor 10 te duur voor grootschalige introductie. Ook de correcte keuze van de brandstofinfrastructuur (aardgas + reformer of verdeelnet waterstof, …) is essentieel in de toekomstige rol van brandstofcellen.
Om in Vlaanderen maximaal zicht te hebben op deze buitenlandse ontwikkelingen heeft IWT een project goedgekeurd, waarin het ‘Vlaams Samenwerkingsverband Brandstofcellen vzw’ wordt opgericht, waarin Vlaamse bedrijven participeren. Bedoeling van dit samenwerkingsverband is het efficiënt uitwisselen van kennis van brandstofceltechnologie en het definiëren van gezamenlijke projecten rond brandstofcelsystemen (ontwikkeling of toepassing). Dit netwerk staat open voor elk bedrijf en meer informatie kunt u krijgen bij Gilbert Van Bogaert (gilbert.vanbogaert@vito.be, tel. 014.33.59.11).