Een protongeleidende brandstofcel (afb: WikiMedia Commons)
Duurzaam is mooi, maar ‘onbetrouwbaar’. Een groot deel van de duurzame energie wordt opgewekt met behulp van wind en zon en die kent zijn periodes. Dus moet er worden opgeslagen. Er zijn al heel wat opslagsystemen bedacht, waarvan ik die met steenblokken en hijskranen met het plan Lievense de schranderste vind, maar hét systeem is nog niet gevonden. Elektrische energie omzetten in chemische (batterijen of brandstofcellen) wordt ook vaak genoemd, maar daar zitten nogal wat haken en ogen aan. Nu melden onderzoekers van een mijninstituut in Colorado (VS) dat ze een brandstofcelsysteem hebben ontwikkeld dat vrijwel verliesloos werkt (slechts 2%).
Tesla, fabrikant van elektrische auto’s en energieopslagsystemen, zweert bij batterijen als het gaat om energieopslag, maar batterijen zijn duur en kunnen maar een beperkte hoeveelheid energie opslaan. In theorie is die eindeloos, maar in de betaalbare praktijk hebben we het dan over maximaal een paar uur stroom voor het net.
Je kunt met die energie die je over hebt ook water splitsen. Met behulp van brandstofcellen, waarbij waterstof weer verbonden wordt met zuurstof, kun je dan de aldus opgeslagen energie weer inzetten in het stroomnet of gebruiken voor de aandrijving van voertuigen.
Dan zou je dus twee systemen nodig hebben, elk met het risico van energieverlies. Om die twee processen te koppelen wordt er geëxperimenteerd met protongeleidende brandstofcellen. Daarmee kun je brandstof maken en die weer omzetten in stroom, waarbij je met één stel katalysatoren toe kan om beide chemische processen te bevorderen.
Die protoncellen hebben, net als gewone brandstofcellen of batterijen, twee elektrodes die gescheiden worden door een protondoorlatende keramische elektrolyt (een proton is een positiefgeladen kerndeeltje, een waterstofion bestaat uit een proton). Bij de pool die luchtelektrode wordt genoemd en die een keramische kat bevat worden stoom en elektra toegevoerd. De kat zorgt er voor dat dat water (in stoomvorm) zich splitst in waterstofionen (protonen), elektronen en zuurstof.
De elektronen wandelen via een externe verbinding naar de andere elektrode, de brandstofelektrode, waar ze de protonen ontmoeten die via de keramische elektrolyt naar de andere pool zijn ‘opgestoomd’. In die brandstofelektrode zit een nikkelkatalysator die er voor zorgt dat de protonen worden omgezet in waterstof. (H2).
In de modellen die tot nu toe uitgeprobeerd zijn werkte de nikkelkat goed in de brandstofelektrode, maar de keramische kats in de luchtelektrode waren verre van efficiënt. Slechts 70% van de elektrische energie werd gebruikt voor de splitsing van water. Veel ging verloren in de vorm van warmte en dat is natuurlijk zonde.
98%
Tenminste twee onderzoeksgroepen hebben zich op dat probleem gestort. Beide werkten aan de verbetering van de luchtelektrode. Begin dit jaar meldden onderzoeksters rond Sossina Haile van de Northwesternuniversiteit (VS) dat ze een ‘protoncel’ hadden gefabriceerd met een luchtelektrode die bestaat uit een keramische mengsel van zes elementen die wat beter scoorde dan die 70%: 76%.
De grote verrassing was echter de elektrode die Ryan O’Hayre van de mijnschool in Colorado en zijn medeonderzoekers ontwierpen. Hun keramische legering bestaat uit vijf elementen en is in staat om 98% van de energie om te zetten in de splitsing van water.
Als er weer stroom geleverd moet worden dan wordt de ‘waterstofvormer’ weer een brandstofcel waarbij de eerder gewonnen waterstof wordt verbrand tot water met een elektronenstroom als ‘bonus’.
Haile kan niet anders dan toegeven dat het werk van O’Hayre c.s. indrukwekkend is. Toch vindt ze dat we niet meteen Eureka! kunnen roepen. Het gaat tenslotte in beide gevallen om kleine labopzetten. In het echt moeten die systemen aanzienlijk groter zijn willen ze nuttig zijn. Meestal gaan de prestaties van systemen er niet op vooruit als ze worden opgeschaald. De volgende uitdaging ligt alweer klaar.
Bron: Science