Algemeen

De brandstofcel voor thuis

Productie van een gestapelde cel (engl. Stacks) bij het Fraunhofer IKTS. (foto: Fraunhofer IKTS
Productie van een gestapelde cel (engl. Stacks) bij het Fraunhofer IKTS. (foto: Fraunhofer IKTS

Een brandstofcel zet chemische energie direct om in elektrische energie. Maar de marktdoorbraak van de brandstofcel bleef tot nog toe uit. De systemen waren te complex. Fraunhofer IKTS en een fabrikant van verwarmingsinstallaties hebben een simpel apparaat ontwikkeld voor huishoudelijk gebruik.

“Men spreekt altijd van een systeem van brandstofcellen”, zegt dr. Matthias Jahn van het Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden. Een losse cel levert niet voldoende spanning om elektrisch vermogen te kunnen benutten. “In een stapel brandstofcellen zijn meerdere cellen achter elkaar (in serie) geschakeld. Ze hebben elk de grootte van een CD. Zo’n stapel noemen we een stack”.

Brandstofcellen zetten aardgas direct om in elektrische energie. Het rendement is beduidend hoger dan dat van een verbrandingsmotor in een auto. Deze hebben nog een tussenstap nodig. Ze zetten eerst de chemische energie om in thermische (warmte) en dan in mechanische energie (kracht). Met de kracht drijven ze dan de generator aan, die de elektrische energie opwekt. Een deel van de beschikbare energie gaat verloren.

Praktijktest brandstofcel in huishoudens

Samen met een verwarmingsfabrikant heeft het IKTS een compact, veilig en robuust brandstofcelsysteem ontwikkeld, dat in privéhuishoudens uit aardgas elektrische energie en warmte produceert. De onderzoekers waren verantwoordelijk voor de bouw van prototypes, de constructie van het hele systeem, de vormgeving van de keramische onderdelen en de ontwikkeling van de reformer en de nabrander. Momenteel worden de apparaten in de huishoudens in de praktijk getest.

Ze zijn even compact als de klassieke verwarmingsketel, die alleen warmte produceert. Ze kunnen gemakkelijk aan de muur worden gemonteerd en zijn eenvoudig in onderhoud. Met een vermogen van 1 kW leveren ze het vermogen voor een gemiddeld vierpersoons huishouden. Het ministerie voor verkeer en digitale infrastructuur BMVI subsidieert Callux. In een Europees demo-project ‘ene.field‘ zijn nog 150 apparaten in diverse Europese landen geïnstalleerd. De betreffende verwarmingsfabrikant heeft hiervoor begin 2014 een kleine serie in productie genomen. Parallel aan de praktijktest werken de beide partners al aan nieuwe modellen. “Het gaat er nu vooral om de kosten bij de productie te verlagen en de levensduur van de apparaten te verhogen”, zegt Jahn.

Het principe van de brandstofcel is al 175 jaar oud, maar een doorbraak op de markt bleef tot nog toe uit. Een belangrijke reden was de uitvinding van de elektrische generator. Die was de complexe brandstofcel te machtig. Pas in de ‘60-er jaren werd de technologie door de NASA bij Appollo-maanreizen praktisch gebruikt. Eind 1990 kwam er weer een project in de auto-industrie tot stand, maar die kon zich nog niet waarmaken.

De reden: te complex, te duur. “In ons project met deze verwarmingsfabrikant hebben we forse stappen vooruit gemaakt, die de technologie dicht bij marktrijpheid brengen. Dit bedrijf produceert al een kleine serie, die in gesubsidieerde projecten wordt verkocht aan klanten”. Voor de echte toegang tot te markt moeten de kosten nog flink omlaag”.

Mini-krachtcentrale

De mini-krachtcentrale voor huishoudelijk gebruik is gebaseerd op een solid oxyde fuel cell (ook bekend als solide brandstofcel, SOFC). SOFC’s werken, vergeleken met concurrerende soorten, bijvoorbeeld de polymeer elektrolyt brandstofcellen (ook bekend als proton uitwisseling membraan fuel cell, PEMFC), die in auto’s worden gebruikt, met veel hogere temperaturen. Terwijl ze in PEMFC’s maar op 80 graden liggen, kunnen de SOFC’s temperaturen bereiken tot 850 graden. “Dit kan, doordat de SOFC’s eenvoudiger en goedkoper zijn gebouwd”, zegt Jahn.

De elektrolyt van een SOFC geleidt alleen zuurstof-ionen, geen elektronen. Anders zou het leiden tot kortsluitingen. “Keramisch materiaal is bijzonder geschikt als materiaal voor de elektrolyt. Het heeft de gewenste geleidbaarheid en kan hoge temperaturen doorstaan”, zegt Jahn. Alle reacties, die voor het omzetten van chemische naar elektrische energie noodzakelijk zijn, verlopen zonder het gebruik van edelmetalen soepel.

Als het brandstofcellen-verwarmingstoestel met het gasnet is verbonden, zet de reformer het aardgas eerst om in een waterstofrijk gas. Deze reageert in de stack met de zuurstof in de lucht in een geruisloze ‘koude verbranding’. Daarbij ontstaan elektriciteit en warmte.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven