Het klinkt als een ideale stroombron: stil, efficiënt en zonder vervuilende of giftige afvalproducten. Niet voor niets is de brandstofcel – die deze eigenschappen bevat – al jaren een toonbeeld van schone, duurzame energie en kernpunt van de zogeheten waterstofeconomie: een economie waarbij waterstof de belangrijkste energiedrager is.

Wat is het idee van de brandstofcel?

Er gaat waterstof en zuurstof in en dat levert elektriciteit en water op. Waterstof en zuurstof komen in afzonderlijke kamers van de cel terecht, gescheiden door een membraan. Beide kamers bevatten een elektrode: een negatieve (anode) bij waterstof en een positieve (kathode) bij zuurstof. De anode werkt als katalysator, waardoor waterstof opsplitst in protonen en elektronen. De elektronen, afgestoten door de anode, willen weg uit deze kamer. Door het membraan kan niet, dus zullen ze via een elektriciteitsdraad die buitenom de elektroden verbindt naar de kathode reizen. Hun energie kun je onderweg met een motor aftappen en dat geeft eindproduct één: elektriciteit. De protonen kunnen wel door het membraan en komen bij de kathode weer samen met de elektronen. De kathode katalyseert de reactie waarbij de elektronen en protonen met zuurstof reageren tot eindproduct twee: water.

Chemische brandstoffen

Technisch gezien is een brandstofcel een elektrochemisch apparaat, waarbij energie uit een chemische reactie wordt omgezet in elektriciteit. Een batterij werkt net zo. Alleen heeft de batterij zijn chemische brandstoffen opgeslagen. De energie uit die stoffen raakt een keer op en dus gaat de batterij ‘leeg’. In een brandstofcel is er een continue toevoer van chemische brandstoffen en daarom raakt een brandstofcel nooit op.

De voordelen van brandstofcellen als energieleverancier spreken voor zich. De mogelijke toepassingen lopen sterk uiteen. Van complete energiecentrales tot voeding voor mobiele apparaten als je telefoon of mp3-speler. In de ruimtevaart worden ze al gebruikt in raketten, maar het bekendste voorbeeld is toch wel het gebruik in de auto.

Toshiba presenteerde eind 2009 een brandstofcel voor mobiele apparaten.

Toshiba

Kritiek

Dat we op dit moment nog niet massaal rondrijden in geruisloze, op brandstofcellen rijdende auto’s komt door een aantal nog niet opgeloste problemen. Zo is een veelgehoord kritiekpunt dat waterstof geen energiebron is maar een energiedrager. Het komt nauwelijks in de natuur voor en moet dus geproduceerd worden. Dat kost veel energie. Energie die geleverd wordt door niet-schone energiebronnen als aardgas of kolen. Dan wordt het milieu dus alsnog belast.

Opslag en transport van waterstof zijn nog niet goed geregeld. Ook is onduidelijk wat de effecten zijn als waterstof in grote hoeveelheden zou vrijkomen in de atmosfeer. Verder is onze huidige infrastructuur nog helemaal niet ingesteld op rijden op waterstof. Maar met dat probleem hebben elektrische auto’s natuurlijk ook te maken.

Maar het grootste probleem zijn de kosten. De elementen van de brandstofcel zijn stuk voor stuk duur. Eén onderdeel in het bijzonder: de elektroden. Die zijn tot nu toe vaak gemaakt van platina. Dit edelmetaal is echter zeer schaars en duur. Er is lang niet genoeg beschikbaar om op grote schaal brandstofcellen mee te maken. Er is dus behoefte aan een alternatief. Onlangs kwamen twee vondsten naar buiten waar met behulp van nanotechnologie een alternatieve katalysator werd gemaakt.

Nanobolletjes

De eerste was van chemici van de Amerikaanse Brown University. Zij lieten zien dat de chemische reactie in de brandstofcel waarbij zuurstof omgezet wordt in water met veel minder platina mogelijk is. Dat deden ze met behulp van nanobolletjes van enkele nanometers groot. Zo’n bolletje bestond uit een kern van het metaal palladium (Pd) met daaromheen een laagje van ijzer en platina. Volgens Vismadeb Mazumder, één van de betrokken wetenschappers, was de truc om nét genoeg platina in dit laagje te stoppen zodat de reactie toch efficiënt genoeg verloopt.

De door Mazumder en zijn team ontworpen nanodeeltjes.

Vismadeb Mazumder & Shouheng Sun, Brown University

In een aantal laboratoriumtests lieten ze zien dat dit laatste het geval was. Ze genereerden (omgerekend) twaalf keer zoveel elektriciteit als wanneer puur platina gebruikt wordt. Dat komt met name omdat nanodeeltjes platina een enorm oppervlak hebben vergeleken met hun volume. En dus heb je minder materiaal nodig om dezelfde hoeveelheid chemische reacties te laten plaatsvinden. Een ander voordeel was dat de bolletjes veel langer dan puur platina goed bleven werken voordat slijtage optrad. Veelbelovend? Zeker, maar let wel dat het hier puur ging om de chemische reactie die bij de kathode in een brandstofcel plaatsvindt. Dat maakt nog geen nieuwe brandstofcel. Het is nu zaak de boel op te schalen naar een elektrode waarmee commercieel gebruik mogelijk is.

Bloemdeeltjes

De tweede recente vondst komt voort uit een samenwerking van Chinese en Amerikaanse chemici. Hun publicatie in het topblad Angewandte Chemie kreeg zelfs het stempel ‘Very Important Paper’. Wat hebben ze gedaan? Ook deze wetenschappers zijn met nanobolletjes aan de slag gegaan. In dit geval positief geladen goudbolletjes van ongeveer vijf nanometer groot en negatief geladen platinabolletjes van de helft zo groot.

Toen ze deze twee soorten nanodeeltjes bij elkaar stopten vormden ze kleine bloemachtige structuren, waarbij de platinadeeltjes zich aan de grotere gouddeeltjes hechtten. Vervolgens lieten ze deze ‘bloemdeeltjes’ los op methaanzuur. De deeltjes katalyseerden de reactie waarbij het zuur overgaat in water, koolstofdioxide en elektronen (elektriciteit dus). Hiermee werd bijna zes keer zoveel elektriciteit gegenereerd als wanneer puur platina gebruikt werd.

Gouddeeltjes (blauw) worden omringd door platinadeeltjes (oranje) en vormen een structuur waarmee uit methaanzuur elektriciteit kan worden gegenereerd.

Maar ook bij deze vondst moeten we een slag om de arm houden. Het gaat hier om een katalysator die niet werkt voor brandstofcellen met waterstof, maar met methaanzuur, een gevaarlijke (corrosieve) stof. Het is nog een eerste stap, maar de wetenschappers waren verbaasd over de sterkte van de katalysator. Dat geeft ook aan dat er mogelijkheden voor nieuwe katalysatoren zijn waarvan we nog geen weet hebben.

Ontwikkeling

De twee vondsten passen in een ontwikkeling die de afgelopen jaren in gang is gezet om betaalbare elektrodes te maken voor brandstofcellen. De laatste tijd zien we regelmatig alternatieven opduiken waarbij nanotechnologie aan te pas komt, met de twee hier genoemde als aansprekende voorbeelden. Of nanotechnologie dé reddende engel is van de brandstofcel is moeilijk te zeggen, maar het is zeker de moeite waard deze ontwikkeling in de gaten te houden.

Meer over brandstofcellen en waterstof op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/brandstofcel/brandstofcellen/waterstof/index.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}