Wat een brandstofcel doet om een elektromotor te doen draaien
Omdat van 5 tot 9 mei 2010 voor de "CleanWeek2020" in Zolder tientallen elektrische auto's worden verwacht die een aandrijving hebben via waterstof en een brandstofcel is het nuttig eens te overlopen hoe zo'n ding eigenlijk functioneert. Inzicht kan nooit geen kwaad en er heersen nogal wat misverstanden rond de "fuelcell" die fascinerend de autoindustrie is binnengeslopen. Het "voedsel" voor de cel is waterstofgas (H2). De waterstof die tegen 2015 in Duitsland op minstens 1000 bevoorradingspunten zal kunnen worden getankt is opgeslagen in een tank van composiet, metaal of plastiek die ergens opgeborgen zit in de auto. Liefst uiteraard op een plaats waar ze het comfort van de passagiers niet in het gedrang brengt en ook geen plaats waar ze veel ruimte zou wegroven. In de nieuwste Mercedes B-Class F-Cell is de waterstoftank geplaatst in de lege ruimte die de dubbele bodem van de A- en B-klasse biedt. Vanuit die tank wordt waterstof onder een druk van 700 bar naar de Anode (-pool) van de brandstofcel gevoerd. Tijdens die tocht wordt ze al gesplitst in positief geladen waterstof-ionen en negatief geladen elektronen. Dat stroomt de Anode binnen.
Naast de Anode vinden we een membraam of separator die in polymeer is uitgevoerd, maar nu in materiaalkeuze al is geëvolueerd. Die separator scheidt de Anode van de Kathode (+pool) waarin zuurstof wordt toegevoerd. Die zuurstof komt er via gewone lucht in. Om zeker te zijn van een goed vulling gebruikt Mercedes in de B-Class zelfs een lichte overdruke (0,65 bar) om zeker te zijn dat genoeg zuurstof in die Kathode terecht komt. Laat het duidelijk zijn: Anode én Kathode staan dus gescheiden opgesteld van elkaar. Nu komt de Grote Truuk ! Dat in positieve ionen en negatieve elektronen gesplitste waterstofgas laat het daar niet bij zitten. Die willen naar de zuurstof toe. Maar de membraam of separator laat alleen de ionen door en de elektronen botsen op de "muur" van de membraam en moeten via een omweg hun weg zoeken naar de Kathode waar zuurstof rijkelijk wordt aangevoerd. De elektronen snellen langs de separator van de Anode (-) naar de Kathode (+) en veroorzaken daardoor héél concreet een elektrische stroom. Eens de Kathode bereikt smelten de elektronen én ionen samen met de zuurstof en vormen zo...water ! Wat uit de uitlaat komt is hoogstens waterdamp.
De stroom is genoeg om een elektromotor aan te drijven. Er wordt gewoon een Lithium-Ion-batterij geplaatst. In het geval van de Mercedes B-Class één met 60 cellen. Die batterij kan stroom leveren maar ook kinetische vertragings-energie (vanaf het "gas"pedaal wordt losgelaten) recupereren. De batterij moet worden gekoeld, want Lithium heeft een laag ontvlammingspunt, en risico's wil men uitsluiten. Maar goed, dat is ongeveer de werking van een brandstofcel. Men kan er veel kanten mee uit en de technologie evolueert dagelijks op spectaculaire wijze. Net zoals die van de batterijen. Ze zullen weldra als plasticine in gelijk welke vorm kunnen worden gekneed zodat ze ergens in een kompleet ondergeschikte ruimte zullen worden gemonteerd. Ook de elektromotoren evolueren. BMW heeft nu al de elektroschijfmotor die een absoluut minimum aan ruimte inneemt. Het vermogen is vandaag nog aan de lage kant, het koppel van 290 Nm misschien ook nog, maar pientere geesten werken aan nog straffere oplossingen. Door brandstofcellen in serie aan elkaar te koppelen verkrijgt men een hogere voltage, spanning.
Waterstof wordt al meer dan honderd jaar "gewonnen" en opgslagen en staat bekend bijzonder explosief te zijn. Maar nu is het zaaks waterstof te winnen uit hernieuwbare energie in plaats van via de weg van "elektrolyse" of uit fossiele brandstoffen. Het is dus zaaks aan wind, zon en waterkracht, golfslag-energie te denken om onze waterstof van de toekomst te winnen. Er is ook een tweede manier, met name waterstof winnen uit een biomassa die via vergassing tot waterstof leidt. Gesteld dat binnen een eeuw alle auto's elektrisch zouden rijden, dan blijkt het mogelijk te zijn voor het wereldvoertuigenpark van tegen dan bijna 2 miljard eenheden genoeg waterstof voorhanden te hebben. Momenteel is in ons land één bevoorradingspunt. Dat is in Ruisbroek, als je Brussel uitrijdt richting Parijs. Daar is een Totalstation waar men kan tanken en dat station is recent Totaal vernieuwd.
Een laatste spectaculair vooruitzicht is dat door het maken van membramen in koolwaterstofpolymeer de kostprijs van zo'n membraam zal dalen van in het begin 400 per vierkante meter naar 4 voor dezelfde oppervlakte. Ook is een universiteit in Pennsilvenia bezig om via Nanobuisjes CO2 en waterdamp "uit de lucht te plukken" waardoor er methaangas zou ontstaan. Maar de grootschaligheid daarvan is nog toekomstmuziek. Methaan (CH4) heeft een hoog gehalte aan waterstofatomen en kan dus principieel waterstof vervangen. Om een idee te geven van de - ongelijke - strijd tussen een batterij en een brandstofcel moeten we eraan denken dat een batterij éénmalig haar energie kan afgeven en dan leeg geraakt, terwijl een brandstofcel ononderbroken energie voor elektriciteit blijft leveren zolang er maar waterstofgas wordt toegevoerd.(Tekst:Walter Rombauts)