Het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) heeft in 2019 bij het testcentrum in Marknesse voor het eerst een drone laten vliegen die aangedreven wordt door omzetting van waterstof in een brandstofcel. Deze drone heeft zes propellers zoals te zien is op de foto, een vermogen van 2 kW, weegt 8 kg en maakt gebruik van een hogedruktank (2 L, 300 bar) gevuld met waterstofgas.
Figuur 1: Bron: NLR
Waterstof wordt in de brandstofcel samen met zuurstof uit de lucht omgezet in water waarbij ook energie vrijkomt. Het enige restproduct is waterdamp. Hierdoor kan de drone op een CO2-neutrale manier vliegen. Bij dit elektrochemische proces komt elektrische energie vrij voor de motoren van de drone.
a) Wat is het essentiële verschil tussen een brandstofcel en een accu of batterij?
Een accu of batterij is een beperkt opslagmedium voor elektrische energie, terwijl de brandstofcel elektriciteit produceert zolang er waterstof en zuurstof (lucht) worden toegevoerd.
b) Zoek op internet een plaatje van de constructie van zo’n brandstofcel. Leg uit hoe zo’n brandstofcel werkt.
Bron: Wikipedia
Een brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en poreuze kathode met daartussen een elektrolyt.Waterstof en zuurstof worden afzonderlijk van elkaar aan de brandstofcel toegevoerd. De waterstof bij de anode en de zuurstof (oxidator) bij de kathode. Aan de anode wordt de waterstof (H2) gesplitst in twee H+-ionen (protonen) en twee elektronen (e−). De elektronen stromen vervolgens via het elektrisch circuit buiten de brandstofcel naar de kathode. Daar wordt met zuurstof uit de lucht en H+-ionen (protonen)die door de elektrolyt naar de kathode zijn gegaan, water gevormd.
In de brandstofcel vindt op meerdere plekken een deelreactie plaats. Deze vormen samen de uiteindelijke reactie in de cel.
c) Geef de drie reactievergelijkingen.
Aan de Anodezijde:
2H2 => 4H+ + 4e-
Aan de Kathodezijde:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
De uiteindelijke reactie:
2H2 + O2 => 2H2O
De tank van 2 liter is gevuld met waterstof tot een druk van 300 bar. Dit roept de vraag op welk deel van de genoemde 8 kg voor rekening komt van de hoeveelheid waterstof.
d) Bereken de massa van de hoeveelheid waterstof in de tank.
Er geldt: pv=nRT, waarbij p = 300 bar, V = 2 L, T = 293 K (aanname),R = 8,3 J K-1mol-1 en n is het aantal mol H2.
Omschrijven en invullen levert:
$n=\frac{300\cdot 10^5\cdot 2\cdot 10^{-3}}{8,3\cdot 293}=25~\mathrm{mol}$
De molaire massa van H2 = 2 g/mol, dus er zit 50 gram waterstof in de tank.
e) Hoeveel procent van het totale gewicht wordt bij de start gevormd door de waterstof?
Bij de start is dat 50 / 8000 . 100% = 0,63 %
Het waterstofgas in de fles moet nog wel eerst gemaakt worden. Dat kan door middel van elektrolyse van water. Daarbij wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof.
f) Schrijf de reactievergelijking op voor dit proces.
$2~\mathrm{H}_2\mathrm{O}\rightarrow 2~\mathrm{H}_2 + \mathrm{O}_2$
Voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof is elektrische energie nodig.
g) Hoe kan men het gehele proces van de toepassing van waterstof als energiedrager totaal duurzaam maken?
Dan moet de elektrische energie die nodig is bij de productie van waterstof uit water worden gewonnen met duurzame methoden zoals wind- of zonne-energie.
