Brandstofcel op diesel

DE TOEKOMST is aan de brandstofcel die op waterstof loopt, aldus een veel gehoorde opvatting. Vervuilende verbrandingsmotoren zullen, te beginnen in Californië dat hierin voorop ligt, vanaf 2004 het veld ruimen voor brandstofcellen die pure waterstof langs elektrochemische weg en onder toevoeging van zuurstof (lucht) omzetten in energie, een beetje warmte en water. Schoon, en bovendien met een hogere efficiëntie.

In dit scenario is de beschikbaarheid van zuivere waterstof de zwakke schakel. De benodigde waterstof via de bestaande benzinestations te distribueren, zou een miljardenoperatie vergen, waarbij het de vraag is of het publiek de veiligheid wel wil aannemen van een gas dat geassocieerd wordt met de ondergang van de Hindenburg. Liever voorzien autofabrikanten de modellen van de toekomst daarom van minifabriekjes die waterstof lospeuteren uit aardgas, benzine of methanol. Critici reageren hierop door te stellen dat deze omzetters veel voordelen van de brandstofcel tenietdoen.

Vorig jaar kwamen ingenieurs van Northwestern University in Illinois met een vast-oxide-brandstofcel (solid-oxide fuel cell) die aardgas direct omzet in elektriciteit (Nature, 12 augustus 1999). Zuurstof die aan de kathode wordt gereduceerd tot O diffundeert in dit type cel door een dunne laag zirconium-elektrolyt naar een poreuze anode van keramisch materiaal met daarin verwerkt de metalen nikkel en cerium. Die fungeren als katalysator bij het onttrekken van waterstof aan methaan, de belangrijkste component van aardgas. Aangekomen bij de anode geven de zuurstofionen hun elektronen af aan positieve waterstofionen onder vorming van water. Aldus ontstaat tussen beide elektrodes een elektrische spanning van ongeveer 1 volt die een uitwendige stroom kan onderhouden.

Een vast-oxiode-brandstofcel opereert bij hoge temperaturen (500-1000 °C) omdat de diffusie door het zirconiumlaagje anders niet snel genoeg verloopt. Omdat een brandstofcel behalve energie ook stoom oplevert, is een probleem van deze aanpak corrosie van het nikkel. Erger is dat wanneer geen zuiver methaan gebruikt wordt en geen bepaalde bedrijfstemperatuur aangehouden wordt, zich op de anode onherroepelijk koolstof (grafiet) afzet dat de werking van de cel al snel frustreert.

Ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania in Philidelphia omzeilen dit probleem door uit te gaan van een vast-oxide brandstofcel met een anode waarin de metalen koper en cerium zijn verwerkt (Nature, 16 maart 2000). Omdat koper in tegenstelling tot nikkel niet aanzet tot het neerslaan van grafiet, weet deze brandstofcel een hele serie koolwaterstoffen (waaronder methaan, butaan en propaan) direct om te zetten in energie en water zonder dat de anode verontreinigd raakt. Bij gebruik van n-butaan en een bedrijfstemperatuur van 800 °C zette zich weliswaar wat teer af op de aluminium wand van de cel, maar de anode bleef schoon.

Verdere verbetering van dit type brandstofcel werd bereikt door ook het metaal samarium in de anode te verwerken. Nu kon zelfs tolueen worden verwerkt. Waarom samarium dit effect sorteert, is onduidelijk. Wanneer de laag zirconium tussen beide elektrodes dunner wordt gemaakt dan de huidige 0,060 mm, kan de bedrijfstemperatuur omlaag. De hoop is nu dat langs de weg van volledige elektrochemische conversie zelfs uit benzine en diesel schone energie valt op te wekken. Wanneer bovendien de zirconiummembranen een factor tien goedkoper worden en de brosheid van het anode-materiaal niet langer een probleem vormt staat, aldus een commentaar in Nature, niets de commerciële doorbraak van de brandstofcel in de weg.