Hoge temperatuur brandstofcel behoudt prestaties bij 200 °C lagere temperatuur

Als de fossiele brandstoffen op zijn, gaan waterstof en gas uit biomassa mogelijk belangrijke energiedragers worden. Brandstofcellen zullen dan zo goed mogelijk die waterstof omzetten in elektriciteit. ECN is op zoek naar de beste componenten voor de brandstofcel. “We willen zijn levensduur verlengen en op bouwkosten besparen,” zegt Bert Rietveld van ECN Waterstof en Schoon Fossiel. “De nieuwste anode doet het 5x beter dan de referentie.”

Van alle type brandstofcellen is de Vast Oxide brandstofcel (SOFC) de gemakkelijkste klant. Hij is niet zo kritisch als het gaat om welke brandstof hij krijgt toegediend. Hij is ook niet zo gevoelig voor verontreinigingen. En hij is van tamelijk goedkope materialen te bouwen. Maar de keerzijde is dat dit type cel werkt bij een hoge temperatuur: 750 – 800 graden Celsius. Volgens Rietveld brengt dat met zich mee dat de levensduur van de cel en zijn behuizing, de stack, beperkt is, tenzij dure materialen worden gebruikt. “En dat zijn doorgaans ook de dure en daar willen we juist vanaf,” meldt Rietveld. “We willen gewoon met roestvast staal werken.”
De consequentie van dit uitgangspunt is dat de werktemperatuur van de brandstofcel omlaag moet. Maar als je dat doet, knabbel je aan de prestaties van de brandstofcel. En dat is volgens Rietveld uit den bozen. “Het streven is dat je de gewenste temperatuurverlaging bereikt met behoud van prestatie. En moet je zien wat we hebben bereikt, de afgelopen drie jaar.”
Hij toont een grafiek met de prestaties van een aantal verschillende anodematerialen in een SOFC. Alle resultaten hebben betrekking op een temperatuur van 600 graden Celsius, dus 150 tot 200 graden lager dan wat gebruikelijk is. Verticaal staat de spanning uitgezet, horizontaal de geleverde energie (vermogensdichtheid). Technici herkennen wellicht het patroon, dat ook bekend is van batterijen en accu’s: gebruik je geen energie, dan is de spanning hoog. Hoe meer energie je aan de brandstofcel onttrekt, hoe verder de spanning zakt. Rietveld: “Het ideaal is een horizontale lijn. Dat blijft een onbereikbaar ideaal, want er zullen altijd verliezen optreden in de vorm van warmte. Maar als je kijkt naar de prestaties bij 0,5 volt, dan hebben we een prachtige prestatie geleverd. De standaardcel (groen) haalt 0,4 ampère per vierkante centimeter, met onze laatste anode (zwart) neemt dat toe tot 2 ampère per vierkante centimeter, vijf keer zoveel.”

Liever methaan
De groep van Bert Rietveld houdt zich bezig met de elektrodes van de brandstofcel, die steevast bestaat uit vier delen. De drager moet zorgen voor mechanische sterkte, de erop aangebrachte werkzame lagen, de anode, de elektrolyt en de kathode nemen de elektrochemische taken voor hun rekening. De materialen moeten zo dun mogelijk zijn, dus komt het onderzoek neer op het verkennen van de grenzen. Rietveld: “Simpel voorbeeld: Beide materialen hebben hun eigen uitzettingscoëfficiënt bij temperatuurverschillen. Dat geeft mechanische spanningen in de cel waardoor je niet zo dun kunt construeren als je zou willen.”
Hoe je het ook wendt of keert, een brandstofcel gebruikt liefst waterstof om elektronen vrij te maken voor stroomlevering. Toch is het mogelijk om de SOFC brandstofcel te voeden met een alom gebruikelijker brandstof dan puur waterstof: met methaan ofwel aardgas. Rietveld: “Methaan en water reageren tot waterstof en koolmonoxide. Deze zogeheten reformreactie wordt gestimuleerd door nikkel. De grap is dat in onze brandstofcel al nikkel zit om de elektrochemische eigenschappen te verkrijgen. Het is een prachtige bijkomstigheid dat het ook een katalysator is voor de waterstofproductie.”
Daar blijft het niet bij. De reformreactie heeft warmte nodig. Die is er volop, want bij de productie van elektriciteit in de brandstofcel komt warmte vrij. Rietveld: “In principe is deze warmte een verlies voor het elektrochemisch proces. Nu wordt zij praktisch benut door de reformreactie, wat gunstig is voor het totale rendement van de SOFC-cel.”

Agrarische toepassing
Dit type brandstofcel maakt elektriciteit met een rendement van 50 procent. Dat is veel gunstiger dan met een verbrandingsmotor een generator aandrijven: 30 procent. Rietveld ziet dan ook bijvoorbeeld een toekomst weggelegd als kleinschalige, stationaire toepassing. “Installaties tot een vermogen van 1 kilowatt zitten dan in cv-ketels thuis, die warmte plus elektriciteit maken. En de grote installaties, van een paar megawatt, staan in grote hotels, ziekenhuizen en clusters van afzonderlijke vakantiewoningen (Landall Green Parks).”
De SOFC-technologie leent zich dus heel goed voor decentrale opwekking van warmte en elektriciteit (wkk-installaties). Met een heel bijzondere toepassing voor de agrarische sector. “Planten zijn grootverbruikers van CO2. Dat komt zonder andere verontreinigingen uit de ‘uitlaat’ van deze cellen en kan dus direct in de kassen worden geblazen.”
De SOFC is de alleseter onder de brandstofcellen. Die eigenschap is zelfs tot onderzoeksdoel verheven. Want waterstof zit in meer mengsels dan alleen koolwaterstoffen. Rietveld denkt met een verlekkerd gezicht aan ammoniak, want dat is voor hem in een aantal opzichten de ideale brandstof voor een SOFC. Bij veel agrarische processen komt ammoniak vrij. Dat is een vervelende stof want het mag steeds minder in het milieu geloosd worden en het kost geld om dat spul onschadelijk te maken. “Het kost weinig moeite om uit mest en rioolslib een mengsel van methaan en ammoniak te maken. Die ammoniak zou eigenlijk uit het mengsel verwijderd moeten worden. Maar de SOFC lust het mengsel rauw en maakt de ammoniak onschadelijk. Daarmee vang je dan mooi twee vliegen in een klap: je hebt een ammoniakreiniger die ook nog elektriciteit en warmte produceert. Dus schone energie uit een onuitputtelijk afvalproduct. Mooier kan bijna niet.”

Contact
Bert Rietveld
ECN Waterstof & Schoon Fossiel
Tel.: 022 456 4452
E-mail: Bert Rietveld  

Info
Wie meer wil weten over de SOFC vindt HIER meer informatie.

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/