Brandstofcelstack: hoe waterstof wordt omgezet in stroom
Een brandstofcelstack is het kloppende hart van een waterstofauto, -trein of -vrachtwagen: het onderdeel dat waterstofgas omzet in elektriciteit, zonder dat er iets wordt verbrand. Het woord "stack" (Engels voor "stapel") verwijst naar de bouw ervan: geen enkele brandstofcel, maar tientallen tot honderden dunne cellen die achter elkaar zijn gestapeld, zoals plakken brood in een pak. Elke cel levert maar een klein beetje stroom; door ze te stapelen en aan elkaar te koppelen, ontstaat samen genoeg vermogen om een voertuig aan te drijven.
Vergelijk het met een zaklamp op batterijen. Eén AA-batterij levert 1,5 volt, te weinig voor de meeste apparaten. Stop je er drie achter elkaar in, dan heb je 4,5 volt. Een brandstofcelstack werkt volgens hetzelfde principe, met dit verschil: de stroom wordt niet opgeslagen zoals in een batterij, maar continu opgewekt zolang er waterstof en zuurstof worden toegevoerd. Stopt de toevoer, dan stopt ook de stroom - er zit geen energie "in" de stack zelf, zoals wel het geval is bij een accu.
Wat is het precies?
De meest gebruikte technologie in voertuigen heet een PEM-brandstofcel, waarbij PEM staat voor Proton Exchange Membrane, oftewel protonuitwisselingsmembraan. Elke cel bestaat uit twee elektroden - een anode en een kathode - met daartussen een dun, plastic-achtig membraan dat alleen positief geladen waterstofdeeltjes (protonen) doorlaat.
Aan de anodekant stroomt waterstofgas (H2) naar binnen. Een katalysator, meestal platina, splitst elk waterstofmolecuul in twee protonen en twee elektronen. De protonen glippen door het membraan naar de andere kant. De elektronen kunnen dat niet, omdat het membraan voor hen ondoordringbaar is, en worden gedwongen een omweg te maken via een externe elektrische stroomkring. Die omweg is precies de elektrische stroom die de elektromotor aandrijft.
Aan de kathodekant komen de protonen, de elektronen die via het stroomcircuit zijn gereisd, en zuurstof uit de lucht weer samen. Daar ontstaat water (H2O), het enige "uitlaatgas" van dit proces. Vandaar dat waterstofvoertuigen vaak emissievrij worden genoemd: op deze plek komt geen CO2 of stikstofoxide vrij, alleen waterdamp.
Eén cel levert ongeveer 0,6 tot 0,7 volt, te weinig om bruikbaar te zijn. Daarom worden honderden cellen mechanisch op elkaar gestapeld en elektrisch in serie geschakeld, gescheiden door dunne, gegroefde platen die tegelijk gas verdelen en stroom geleiden (bipolaire platen genoemd). Een stack in een personenauto, zoals in de Toyota Mirai, bevat doorgaans 330 tot 370 van zulke cellen en levert samen zo'n 128 tot 174 kilowatt.
Rond de stack zijn hulpsystemen nodig: een compressor die lucht aanvoert, een bevochtiger die het membraan vochtig houdt (het werkt alleen goed als het niet uitdroogt), een koelsysteem tegen oververhitting en een besturingseenheid die alles regelt. Samen vormt dit het brandstofcelsysteem; de stack is daarbinnen het kernonderdeel.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het verminderen van CO2-uitstoot in transport, met name in sectoren waar batterijen minder voor de hand liggen. Zware vrachtwagens, bussen, treinen en schepen leggen grote afstanden af en vervoeren veel gewicht; een accupakket dat groot genoeg is voor zulke afstanden weegt en kost al snel te veel, en duurt lang om op te laden. Waterstof tanken kost slechts enkele minuten, vergelijkbaar met diesel tanken, en een volle tank geeft doorgaans meer actieradius dan een accu van vergelijkbaar gewicht.
Daarnaast hoopt men energie te kunnen opslaan die anders verloren zou gaan. Bij een overschot aan zonne- of windstroom kan die worden gebruikt om via elektrolyse water te splitsen in waterstof en zuurstof, de omgekeerde reactie van wat in de brandstofcel gebeurt. Die waterstof is op te slaan en later weer om te zetten in stroom. Zo fungeert waterstof als een soort tussenopslag voor duurzame energie, al gaat bij elke omzetting - van stroom naar waterstof en weer terug - een flink deel van de energie verloren als warmte. Het totale rendement van die cyclus wordt doorgaans geschat op 30 tot 40 procent, tegenover 85 tot 95 procent bij het rechtstreeks opslaan van stroom in een batterij. Waterstof is daarom vooral interessant waar batterijen fysiek tekortschieten, niet als algemene vervanger voor elke toepassing.
Voorbeelden uit de praktijk
Toyota Mirai (sinds 2014, tweede generatie vanaf 2020) is de bekendste en meest verkochte waterstofauto ter wereld, met een stack die circa 128 kilowatt levert.
Hyundai Nexo (sinds 2018) is een waterstof-SUV die vergelijkbare techniek gebruikt en in Europa onder meer in Nederland en Duitsland wordt verkocht.
De Alstom Coradia iLint reed vanaf 2018 in Nedersaksen (Duitsland) als eerste waterstoftrein ter wereld in commerciële dienst, en vervangt op niet-geëlektrificeerde spoorlijnen dieseltreinen.
De Hyundai XCIENT Fuel Cell is sinds 2020 in Zwitserland actief als eerste in serie geproduceerde waterstofvrachtwagen, en wordt inmiddels ook in Duitsland en andere Europese landen ingezet.
Ook in Nederland wordt met stacks geëxperimenteerd: het Groningse bedrijf Holthausen Clean Technology bouwt sinds enkele jaren waterstof-vrachtwagens en -bussen om, vaak met stacks van gespecialiseerde toeleveranciers, en test die in binnenlandse pilots.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek van de PEM-brandstofcel is decennia oud en wetenschappelijk goed begrepen; het werkingsprincipe staat niet ter discussie. Waar het nu vooral om gaat, is opschalen, goedkoper maken en langer laten meegaan. Platina als katalysator is kostbaar, en fabrikanten proberen de hoeveelheid ervan al jaren te verminderen zonder dat de prestaties inzakken.
De levensduur van een stack in een personenauto ligt momenteel rond de 5.000 tot 8.000 bedrijfsuren voordat de prestaties merkbaar afnemen; in bussen en industriële toepassingen, waar de belasting constanter is, worden vaak hogere waarden gehaald. Ter vergelijking: een dieselmotor in een vrachtwagen gaat doorgaans tienduizenden uren mee, dus op dit punt is nog winst te behalen.
Een ander obstakel is niet de stack zelf, maar de infrastructuur eromheen: er zijn wereldwijd nog relatief weinig waterstoftankstations, wat het gebruik in de praktijk lastig maakt. Bovendien wordt het grootste deel van de wereldwijd geproduceerde waterstof nog altijd gemaakt uit aardgas ("grijze" waterstof), waarbij CO2 vrijkomt; alleen "groene" waterstof, gemaakt met duurzame stroom, levert per saldo klimaatwinst op, en die productiecapaciteit is nog beperkt. Voor personenauto's verloopt de opmars trager dan tien jaar geleden werd verwacht, mede door concurrentie van steeds goedkopere batterij-elektrische auto's; in zwaar transport, treinen en industriële toepassingen wordt het perspectief door veel experts positiever ingeschat.
Wie werken eraan?
Autofabrikanten Toyota en Hyundai (beide uit Japan respectievelijk Zuid-Korea) lopen voorop in personenauto's, met eigen stackproductie. Voor bedrijfsvoertuigen en industriële toepassingen zijn Ballard Power Systems (Canada) en Plug Power (Verenigde Staten) belangrijke, gespecialiseerde stackfabrikanten. In Nederland produceert het Arnhemse bedrijf Nedstack al sinds de jaren negentig PEM-brandstofcelstacks, met name voor stationaire en industriële toepassingen.
Op onderzoeksgebied speelt het Duitse Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) een grote rol, net als het Forschungszentrum Jülich. In Nederland doen onder meer TNO en verschillende technische universiteiten onderzoek naar brandstofceltechnologie. Op Europees niveau coördineert het Clean Hydrogen Partnership (voorheen FCH JU) onderzoeksprogramma's en subsidies vanuit de Europese Unie. Landen die relatief veel investeren in de technologie zijn Japan, Zuid-Korea, Duitsland, de Verenigde Staten en China, met Nederland als kleinere maar actieve speler, vooral gericht op zwaar wegtransport en industrie.