Bellen op alcohol

De miniatuurbrandstofcel kan een einde maken aan het alsmaar opladen van batterijen.

Iedereen die er een heeft, weet dat batterijen voor laptop, mobieltje of `personal assistant' snel opraken, en vaak op de ongelukkigste momenten. Opnieuw laden duurt uren, als er al een stopcontact in de buurt is.

Een mogelijke oplossing is de miniatuurbrandstofcel, die de chemische energie van brandstoffen als methanol of waterstof omzet in elektriciteit. Op een enkele brandstofcartridge moet tussen tien en twintig uur mobiel getelefoneerd of gelaptopt kunnen worden, waarna er alleen een nieuwe cartridge ingeklikt hoeft te worden.

Op zich zijn brandstofcellen niets nieuws. In de ruimtevaart worden ze al decennialang gebruikt, en auto's en bussen met brandstofcellen op waterstof aan boord zijn in het experimentele stadium, net als kleine elektriciteitscentrales. Brandstofcellen zijn betrouwbaar, efficiënt (tot 60 procent van de chemische energie van de brandstof wordt omgezet) en hebben geen storingsgevoelige bewegende onderdelen.

Het ligt dan ook voor de hand om ze te verkleinen om mee te dingen naar de miljarden euro's die nu jaarlijks worden uitgegeven aan oplaadbare batterijen voor draagbare elektronica. Naast de brandstofcellen zelf kan de verkoop van brandstofcartridges een flinke melkkoe worden.

Er wordt dan ook volop aan gewerkt, door grote namen als Samsung en Motorola, maar ook kleine startups en universitaire onderzoeksgroepen doen mee in de race.

De huidige prototypes zijn echter nog een paar slagen te groot voor het mobieltje. Het eerste product dat op de markt verschijnt, wordt daarom – enigszins ironisch – een hulpstuk voor de huidige batterijentechnologie.

,,We denken dat we over drie tot vijf jaar met een draagbare oplader voor batterijen kunnen komen', zegt Jerry Rockwell, onderzoeksleider van het draagbare-brandstofcellenproject van Motorola.

Motorola presenteerde afgelopen najaar een prototype van een brandstofcel, die werkt op het veelgebruikte methanol, een giftige chemische verwant van alcohol. De cel zelf meet tien centimeter bij vijf bij één. De energieproductie is een tiende watt aan energie, net genoeg vermogen voor een batterijoplader.

Het Koreaanse Samsung denkt er even lang over te doen voordat het eerste product op de markt is, ook een batterijoplader. Veel andere bedrijven noemen vergelijkbare termijnen, maar het Amerikaanse Medis Technologies heeft voor 2003 een kleine brandstofcel aangekondigd die direct in een mobiele telefoon past. Dat zou een flinke prestatie zijn, want voor mobiele telefoons is een volle watt stroom nodig, terwijl de ruimte nog beperkter is. Laptops, met meer ruimte aan boord voor een stroombron, gebruiken tientallen watts.

Het probleem is het verkleinen van de celelementen zelf met behoud van capaciteit, en het integreren van alle extra onderdelen die nodig zijn voor een brandstofcel. Een element zelf lijkt in ontwerp behoorlijk op een conventionele batterij. De reactie heeft plaats in twee aparte gescheiden compartimenten. In het ene reageert de brandstof, onder invloed van een katalysator tot kooldioxide en waterstofionen, die door een membraan doorsijpelen naar het andere compartiment. Daar reageren de ze, weer onder invloed van een katalysator, met zuurstof uit de lucht tot water. Metalen elektrodes in beide compartimenten voeren de elektrische stroom af. De brandstofcel is een cascade van dit soort elementen.

Het verschil tussen brandstofcellen en batterijen is dat brandstof en zuurstof voortdurend aan- en afgevoerd moeten worden. De cel moet ademen. Het prototype van Motorola heeft centimetergrote miniatuurpompjes om zuurstof, kooldioxide en de brandstof zelf af en aan te voeren. Ook is er systeem ingebouwd voor recycling van het water, waarmee de pure methanol uit de cartridge verdund wordt voor gebruik. Andere ontwerpen hebben een passieve zuurstofaanvoer en kooldioxideafvoer in de vorm van luchtgaten. Ontwerpen zonder recyclingsysteem moeten het geproduceerde water zien af te voeren zonder te wasemen of te druppelen.

Een alternatief voor methanol als brandstof is puur waterstof, dat een hogere energiedichtheid heeft. Een nadeel dat het gas waterstof moeilijk is op te slaan. Het Duitse Fraunhoferinstituut ontwikkelt een experimentele 10 watt-miniatuur-brandstofcel voor laptops. De benodigde waterstof wordt opgeslagen in de vorm van een verbinding met een metaalpoeder, die in cartridgevorm kan worden verwisseld.

Ook kan de de waterstof uit methanol worden geproduceerd door het bij een katalysator van boven de 200 graden celsius te laten ontleden. Dit `reform'-proces, waaraan verschillende partijen onderzoek doen, kan hogere vermogens leveren dan het directe gebruik van methanol als brandstof.

En er is nog de mogelijkheid om de brandstof doodgewoon te verbranden: onderzoekers van de universiteit van Californië in Berkeley werken aan een experimentele verbrandingsmotor ter grootte van een gulden. Een generator, in feite een dynamo, zou de laptop van stroom moeten gaan voorzien. De motor loopt vooralsnog op waterstof en levert een handjevol watts, maar in de toekomst moet hij op vloeibare koolwaterstoffen als butaan gaan draaien. De onderzoekers werken zelfs aan een minikatalysator om de uitstoot te zuiveren.