2008-2009 Vrij Technisch Instituut Kontich 3.2 Industriële Wetenschappen -TSO Kristof Poelmans

Geïntrigeerde proef ‘Waterstofmotoren’

ingediend tot het behalen van het diploma Industriële Wetenschappen

Voorwoord Ik heb mijn geïntrigeerde proef over waterstofmotoren gedaan. Dit onderwerp heb ik gekozen naar aanleiding van het nieuwsbericht dat in juni 2008 verscheen. Twee studenten van de Karel De Grote-hogeschool hadden een gewone auto op LPG omgebouwd naar een auto die rijdt op waterstof. Dit is iets wat me zeer sterk aansprak. Maar toen begon ik met informatie op te zoeken, en eigenlijk zijn er weinig bedrijven echt bezig met auto’s op waterstof. Zeker hier in België. De meest bekende auto’s op waterstof zijn de BMW Hydrogen 7 en de Honda FCX Clarity, maar dit zijn nog tamelijk nieuwe technologieën dus willen deze twee bedrijven er niet veel over vrijgeven, en de plaatselijke BMW-handelaars kunnen me ook geen informatie geven. Over brandstofcellen heb ik wel heel wat informatie gekregen dankzij het Vlaams Instituut voor Wetenschappelijk en Technologisch Aspectenonderzoek, waarvoor ik zeer dankbaar ben. Ook zou ik Jeroen Salimans, en Andy Vaes willen bedanken. Zij konden al mijn vragen oer brandstofcellen beantwoorden. Ik zou ook de mijn ouders willen bedanken omdat zij me een heel jaar hebben aangemoedigd. En als laatste zou ik ook de jury willen bedanken, voor de nuttige tips tijdens de contactmomenten.

Inhoudsopgave Voorwoord 2 Inhoudsopgave 3 Inleiding 5 1 Het element waterstof 6 1.1 Wat is waterstof 6 1.2 Waar wordt waterstof aangetroffen 6 1.3 Hoe waterstof reageert 6 1.4 Verbranding van waterstof 7 1.5 Waterstof als reductor 7 1.5.1 Waterstofionen 8 1.5.2 Waterstof en metalen 8 1.5.3 Waterstof en niet-metalen 9 1.6 Isotopen 9 2 Bereiding van waterstof 12 2.1 Door elektrolyse van water 12 2.2 Met gloeiende cokes 13 2.3 Met koolwaterstoffen 13 3 Opslag van waterstof 14 3.1 De supergeïsoleerde vloeistoftank 14 3.2 De gasdruktank 14 3.3 Waterstof als slush 15 3.4 De metaalhydride 15 3.5 De koolstofnanobuisjes 16 4 De waterstofverbrandingsmotor 17 4.1 Werkingsprincipe van de verbrandingsmotor 17 4.2 Aanpassingen voor de waterstofverbrandingsmotor 18 4.3 Energie die vrijkomt bij de waterstofverbranding 19 4.4 Rendement 20 5 De brandstofcel 21 5.1 Algemene werking 21 5.2 Verschillende brandstofcellen 24 5.2.1 De polymeer brandstofcel (PEMFC) 24 5.2.2 De alkalische brandstofcel (AFC) 25 5.2.3 De fosforzure brandstofcel (PAFC) 26 5.2.4 De vaste oxide brandstofcel (SOFC) 27 5.2.5 De gesmolten carbonaat brandstofcel (MCFC) 28 5.3 Brandstofcellen in serie 28 5.4 Voordelen van de brandstofcel 29 5.5 Nadelen van de brandstofcel 29

6 De gelijkstroommotor 30 6.1 Het principe van de elektromotor: de lorentzkracht 30 6.2 Constructie 31 6.2.1 De stator: 31 6.2.2 De rotor: 31 6.2.3 De collector of commutator: 31 6.2.4 Magnetische velden 32 6.3 Vermogen en rendement van gelijkstroommotors 34 6.4 Regeling van de rotatiesnelheid 34 6.5 Rendement van brandstofcelaangedreven gelijkstroommotor 35 7 Verschil tussen het rendement van een batterij en een brandstofcel 36 8 Toekomst 38 9 Veiligheid 39 Besluit 43 Bibliografie 44

Inleiding ‘De aarde warmte op!’ en ‘De olie prijs stijgt, want de fossiele brandstoffen geraken op!’ zijn twee zinnen die je de laatste tijd meer en meer hoort. De aarde warmt grotendeels op dankzij de miljoenen auto’s op de aarde. Dus als we de fossiele brandstoffen door iets anders kunnen vervangen, slagen we twee vliegen in één kap, namelijk lagere brandstofprijzen en het is beter voor het milieu. Maar op het tempo dat de technologie nu vooruitgaat, gaan we nog lang kunnen wachten to een echte waterstofeconomie. Er zijn wel twee voorwaarden die voldaan moeten worden zodat de waterstofauto’s milieuvriendelijk zijn. De eerste is dat het waterstof op een milieuvriendelijk manier moet worden geproduceerd dus bijvoorbeeld door elektrolyse van water maar enkel met groene energie. De tweede is dat geen verbrandingsmotors meer gebruiken maar enkel nog elektromotors aangedreven door brandstofcellen. Als je meer informatie over de brandstof van de toekomst wil weten moet je dit eindwerk zeker lezen!

6

1. Het element waterstof 1.1 Wat is waterstof Waterstof is het eerste element van het periodieke systeem, en heeft dus als atoomnummer 1. Dit cijfer wil zeggen dat elk waterstofatoom uit één proton en één elektron bestaat. Het symbool van waterstof is de grote letter H. Waterstof heeft enkele speciale eigenschappen. Onder normale omstandigheden (273K en 1013hPa) is waterstof een tweeatomig gas, namelijk waterstofgas (H2). Waterstofgas is een smaak- , geur- en kleurloos gas en bovendien zeer brandbaar. Waterstof is de lichtste stof, met een massa van 1.007825 g/mol. 1.2 Waar wordt waterstof aangetroffen Waterstof is de meest voorkomende stof in het heelal. Ongeveer negentig procent van alle atomen in het hele heelal bestaan uit waterstof. De zon, sterren en de gasplaneten bestaan hoofdzakelijk uit waterstof en voor de rest bijna enkel uit helium. De waterstof is ook de brandstof voor de sterren en de zon waardoor wij deze kunnen zien. Op aarde neemt waterstof niet zo’n geweldige plaats in. Dit komt vooral omdat waterstof zo licht is en de aarde relatief klein. Het grootste deel van de waterstof dat zich ooit op de aarde heeft bevonden, bevindt zich nu in de ruimte. Toch staat het nog steeds op de negende plaats van de meest voorkomende stoffen op aarde. Met op aarde wordt bedoeld in de aardkorst. Waterstof komt op aarde nooit of zelden alleen voor. Denk maar aan water (H2O), wat nog altijd de meest voorkomende verbinding is van waterstof want het aardoppervlakte bestaat net als het menselijk lichaam uit driekwart water. Maar denk ook aan andere verbindingen zoals waterstofchloride (HCl), ammoniak (NH3), koolstof (CH4), … Als je waterstof in vrije toestand aantreft op aarde dan is dit voornamelijk in ondergrondse holtes. In de atmosfeer kom je waterstof enkel in zeer kleine hoeveelheden tegen. Waterstofverbindingen zijn ontzettend belangrijk voor alle levende wezens. Bijna alle belangrijke biologische moleculen bezitten waterstof. Denk maar aan suikers (vb. glucose CH2OH), proteïnen, cellulose (C6H10O5) Samen met koolstof en zuurstof zijn het de drie belangrijkste elementen van leven. Fossiele brandstoffen zijn ook verbindingen van waterstof en koolstof daarom worden ze ook wel koolwaterstoffen genoemd. Voorbeelden van fossiele waterstoffen zijn steenkool, aardgas(methaan) en benzine (octaan). De onderlinge verschillen is de verhouding tussen koolstof en waterstof. Voor aardgas bedraagt dit één op vier en voor benzine één op twee. Steenkool echter bestaat uit meer koolstof dan waterstof, dus om dit vloeibaar te maken moeten we waterstof toevoegen. 1.3 Hoe waterstof reageert Waterstofgas is een van de meest reactieve gassen. Het kan bijna met elk element reageren. De elektronegativiteit van waterstof is 2,2. Dit wil zeggen dat het atoom zowel de meer metallische als de meer niet-metallische component kan zijn bij een chemische binding.

7

1.4 Verbranding van waterstof Als we waterstof verbranden met lucht ontstaat er water: 2H2 + O2 = 2H2O. Dit kan een rustige verbranding zijn, maar soms is het ook een zeer heftig, denk maar aan een zeppelin en de rede waarom deze niet meer gevuld wordt met waterstof. Een voorbeeld hiervan zie je op figuur 1.1. De heftigheid hangt af van de manier waarop waterstofgas en zuurstofgas zich mengen. Als je waterstof verbrandt in een constante vlam verloopt dit zeer zachtjes. Maar als we 2 waterstofmoleculen en 1 zuurstofmolecule nemen hebben we kans op een zeer heftige explosie.

Figuur 1.1: Ontploffing van de zeppelin ‘Hindenburg’ in 1937 te Lakehurst 1.5 Waterstof als reductor Waterstof is de sterkste reductor die er bestaat. Een reductor is een stof die zuurstof aan een verbinding onttrekt. Als we dit weten, kunnen we er direct praktische toepassingen bij noemen. Zo onttrekt waterstof alle zuurstof uit metaaloxiden zolang we dit maar voldoende verwarmen. Zo reageert verwarmd koperoxide met waterstof waarna koper en waterdamp ontstaan. Deze reactie is te zien op figuur 1.2. Waterstof wordt bijvoorbeeld ook als reductiemiddel gebruikt voor het harden van margarine. Hierbij wordt de zuurstof uit de plantaardige olie gehaald, waardoor deze de vaste vorm verkrijgt.

8

Figuur 1.2: Chemische reactie van koperoxide en waterstof 1.5.1 Waterstofionen Waterstofatomen hebben maar 1 elektron op de buitenste schil en ze komen er dus 1 tekort om stabiel te zijn. Het bijzondere is wel dat ze zowel positieve als negatieve ionen kunnen vormen. De negatieve waterstofionen, bestaande uit een proton en twee elektronen, ontstaan als waterstof in contact komt met bepaalde metalen. De positieve waterstofionen komen niet veel alleen voor. Meestal komen ze voor in verbinding met water. Dit noemen we dan hydroniumionen (H3O

+). De positieve waterstofionen gaan reacties aan met verschillende moleculen. Bijvoorbeeld met oxides(O) en hydroxides(OH) om zo water te vormen, met carbonaten(C) waardoor er water en koolstofdioxide ontstaat en ook met sulfiden(S) waardoor er waterstofsulfide ontstaat. 1.5.2 Waterstof en metalen Sommige metalen absorberen waterstof zeer goed, eventueel na opwarming. Als we metalen nemen van de eerste twee kolommen van het periodieke systeem zoals lithium (Li), natrium(Na), kalium (K), magnesium(Mg), merken we dat deze na verhitting reageren met waterstof. Er ontstaan hydridekristallen die er een beetje uitzien als keukenzout. Metalen die meer elektronen op de buitenste schil hebben zoals ijzer(Fe) en koper(Cu), kunnen grote hoeveelheden waterstof

9

absorberen zonder fundamenteel te veranderen. Maar wanneer staal waterstof absorbeert, wordt het staal heel broos. Nu we weten dat waterstof wordt geabsorbeerd door metalen kunnen we dit ook toepassen als opslagmiddel van waterstof om zo brandstofcellen of waterstofverbrandingsmotoren te voeden. 1.5.3 Waterstof en niet-metalen Waterstof kan ook reacties aangaan zonder dat er ionen bij betrokken zijn. Deze noemt men dan covalente bindingen. Covalente bindingen zijn bindingen waarbij de atomen één of meer gemeenschappelijke elektronenparen hebben. Waterstof kan covalente bindingen aangaan met alle niet-metalen met de uitzondering van edelgassen. 1.6 Isotopen Isotopen zijn verschillende varianten van eenzelfde element. Dit element verschilt dan van het aantal protonen, elektronen en neutronen. Bij waterstof hebben we 3 verschillende isotopen, namelijk protium, deuterium en tritium. Protium is waterstof zoals wij het kennen en wordt gewoon geschreven als H. Het bestaat uit een proton waarrond één enkel elektron beweegt. Dit is te zien op

figuur 1.3. De atoommassa bedraagt 1,007825 molg .

Figuur 1.3: De waterstofisotoop protium Deuteriumatomen zijn waterstofatomen met één neutron en één proton in de kern en daarrond één enkel elektron, zoals we kunnen zien op figuur 1.4. Deuterium wordt geschreven als 2H of D. De atoommassa van deuterium

10

bedraagt 2,013553 molg . Deuterium komt in een beperkte hoeveelheid voor in

water. Dit is gemakkelijk te verklaren doordat er kosmische stralen uit de ruimte in aanraking komen met water, veranderen sommige waterstofatomen van protium in deuterium. De geleerde Harold Urey ontdekte in 1932 dat je met behulp van elektrolyse zuiver water met enkel deuteriumatomen niet kan scheiden in waterstof en zuurstof. Dit kunnen we uitleggen omdat de deuteriumatomen moeilijker te splitsen zijn dan de protiumatomen. Dus wanneer er een elektrische stroom door water geleid wordt, splitsen de watermoleculen zich in waterstof en zuurstof. De moleculen van het zware water (D2O of 2H20) vallen minder snel uiteen dan de moleculen van het gewone water(H20). Dus op het einde blijft er alleen nog maar zwaar water over. Zwaar water heeft als eigenschap dat het sneller neutronen absorbeert. Dit komt heel goed van pas bij het controleren van kernreacties. Dit is de reden dat zwaar water wordt gebruikt als moderator om snelle neutronen op te vangen die ontstaan bij de splitsing van uranium.

Figuur 1.4: De waterstofisotoop Deuterium Tritiumatomen hebben nog een neutron meer, dus de kern bestaat uit twee neutronen en één proton en rond de kern beweegt nog een elektron. Dit is simpel te zien op figuur 1.5. Tritium heeft als symbool 3H of T. De massa hiervan

is 3,016049 molg . We merken op dat dit ongeveer driemaal zoveel weegt als de

protiumatomen, dit kunnen we verklaren doordat neutronen en protonen het gewicht bepalen en deze ongeveer evenveel wegen. De meeste tritiumatomen worden gevormd in de kernreactoren want zoals gezegd worden zwaar wateratomen gebruikt om snelle neutronen op te vangen en dus is het gevolg dat het zware water nog een tweede neutron krijgt en dus het zwaarste water wordt.

11

Figuur 1.5: De waterstofisotoop Titrium

12

2 Bereiding van waterstof 2.1 Door elektrolyse van water Een eerste manier om waterstof te verkrijgen is door elektrolyse van water. Elektrolyse is door middel van elektrische energie een chemische reactie opwekken in een oplossing. Waterelektrolyse gebeurt met het Hoffman elektrolyseapparaat, wat te zien is op figuur 2.1.

Figuur 2.1: Het Hoffman elektrolyseapparaat Het toestel bestaat uit drie verticale buizen waarvan de twee buitenste vanboven zijn afgesloten. De drie buizen zijn langs de onderkant verbonden met een horizontale buis. De 2 afgesloten buizen hebben onderin de buis een elektrode zitten die gemaakt is van platina of grafiet. Wanneer we de opstelling nu zijn werk willen laten doen, gieten we in de middelste buis gedestilleerd water. Wanneer we nu een elektrische gelijkstroombron aansluiten op de elektroden, ontstaat er in de buis van anode zuurstof, en in de buis van de kathode waterstof. Dit kunnen we aantonen door de chemische vergelijking op te stellen. De reactie is dan als volgt:

222

222

22

22

22

2446H

)(

)(

2444

442

OHOH

OHHOHO

kathode

anode

HOHeOH

HOeOH

+→⇒

+++→⇒

+→++→−

+−

−−

+−

13

Het voordeel van elektrolyse is dat we op deze manier de zuiverste waterstof kunnen opwekken. Het nadeel is dat elektrische energie een dure en meestal geen milieuvriendelijke energiesoort is. 2.2 Met gloeiende cokes Een derde manier om waterstof te verkrijgen is een manier waarbij we gebruik maken van gloeiende cokes. Cokes is het product dat we verkrijgen na de thermolyse van steenkool bij een temperatuur tussen 900°C en 1000°C. Thermolyse is de ontleding van een stof door verhitting. Wanneer we water in gasvormige toestand samen met lucht over gloeiende cokes begeleiden, ontstaat er koolstofmonoxide en diwaterstof.

COHgOHC +→+ 22 )(

Deze manier is een van de goedkopere manieren maar de waterstof is ook niet heel zuiver. 2.3 Met koolwaterstoffen We kunnen ook waterstof verkrijgen uit koolwaterstoffen zoals aardgas.

Koolwaterstoffen zijn mengsels van waterstof en koolstof ( )xx HC . We hebben

verschillende manieren om de waterstof uit de koolwaterstoffen te halen. Als eerste manier kunnen we de koolwaterstoffen katalytisch kraken. Kraken is een manier waarbij grote organische moleculen worden omgevormd tot kleinere moleculen. Wanneer we bij dit proces nog eens een katalysator toevoegen, die ervoor zorgt dat het proces sneller gebeurt maar zelf niet gebruikt wordt, wordt het katalytisch kraken. Een voorbeeld:

210584209 )( HHCHCgHC ++→

Bij commerciële toepassingen wordt waterstof meestal geproduceerd door reforming van aardgas. We voegen water in gasvormige toestand samen met aardgas dat voor 80% uit methaangas bestaat. Hieruit krijgen we dan diwaterstof maar ook koolstofmonoxide.

224 3)( HCOgOHCH +→+

Wanneer we het koolstofmonoxide van de vorige reactie nu opnieuw samenvoegen met water, krijgen we opnieuw diwaterstof maar ook koolstofdioxide.

222 HCOOHCO +→+

14

3 Opslag van waterstof 3.1 De supergeïsoleerde vloeistoftank Als we waterstof willen opslaan, zouden we dit eerst van gas naar vloeistof moeten omzetten. Gas neemt nu eenmaal een veel groter volume in. De temperatuur om waterstof vloeibaar te krijgen bij de atmosferische druk is -253°C. Als we zo’n temperatuur willen verkrijgen, moet onze isolatie perfect zijn. Gelukkig moeten we, als we de druk verhogen, de temperatuur niet zo laag krijgen. Spijtig genoeg neemt waterstof nog steeds meer volume in dan benzine of diesel. Om dit even te verduidelijken met cijfers, nemen we de BMW Hydrogen 7 erbij. Deze kan 300liter waterstof opnemen in een tank met een temperatuur van -250°C en een druk van tussen de 3 en de 5 bar. In deze tank kan je maximaal 8 kg waterstof kwijt, want we moeten er ook rekening mee houden dat we de tank niet volledig kunnen vullen, omdat er telkens toch nog waterstof verdampt in de tank. 8 kg vloeibaar waterstof komt overeen met ongeveer 30 liter benzine. Maar 8kg waterstof komt overeen met 130liter waterstof, dus we merken direct dat de opslag nog niet optimaal is. Maar dat is nog niet alles. De tank moet een temperatuur van -250°C behouden. Dit is onmogelijk ook als de tank supergeïsoleerd is, we hebben altijd wel verliezen. Nog een derde nadeel is dat als we willen tanken, we eerst de vloeistoftank moeten spoelen met vloeibaar water om deze zo terug op een juiste temperatuur te krijgen. En alles moet ook grondig gecontroleerd worden op veiligheid. Bij een BMW Hydrogen 7 duurt het tanken ook langer dan 10minuten. Op figuur 3.1 zie je de waterstoftank en de waterstofleiding van de BMW Hydrogen 7

Figuur 3.1: BMW Hydrogen 7 3.2 De gasdruktank In plaats van de temperatuur te wijzigen kunnen we ook de druk wijzigen om het waterstofgas vloeibaar te krijgen. Dit moet dan wel gebeuren bij een heel hoge druk tussen de 500 en 700 bar. Als we dit lezen, denken we direct aan veiligheid en is dit dan nog wel een oplossing want waarschijnlijk neemt dit ook meer plaats in de supergeïsoleerde gasdruktank.

15

3.3 Waterstof als slush Door vloeibaar waterstof in een vacuüm ruimte te pompen wordt het vast. De mengeling van vaste stof en vloeistof wordt slush genoemd. De vloeibare waterstof wordt vast, omdat het eerst verdampt waardoor de temperatuur daalt tot -259°C. Slush neemt minder plaats in dan vloeibaar waterstof. Een schitterend voorbeeld van slush is het slush ijs zoals te zien op figuur 3.2.

Figuur 3.2: Een slush ijsmachine 3.4 De metaalhydride De kunst van metaalhydride is dat de waterstofatomen worden opgeslagen tussen de atomen van een metaallegering. De waterstofatomen vullen alle lege ruimtes in de kristalstructuur van de metaallegering. De opname en afname van waterstof verloopt gemakkelijk met de metaallegering door warmteopname of warmteafname. Bij warmtetoename wordt de waterstof uit de metaallegering uit gehaald, bij opname van waterstof neemt de metaallegering warmte op. Deze opstelling heeft verschillende voordelen. Ten eerste heeft de waterstof een veel kleiner volume als het is opgenomen door het metaal dan dat het vloeibaar is. We kunnen tweemaal zoveel waterstof opnemen in het metaal als wanneer het vloeibaar is per volume-eenheid. Een tweede voordeel is dat het veel veiliger is dan een benzinetank. Een derde voordeel is dat het geen hoge druk nodig heeft wat het ook weer heel wat veiliger maakt. Een laatste voordeel is dat het een lange levensduur heeft omdat het een volledig omkeerbaar systeem is. De metaalhydride heeft een groot nadeel en dat is dat de metaallegering heel wat weegt ten opzichte van waterstof. De metalen die gebruikt worden voor de legeringen zijn: ijzer, titaan, vanadium, mangaan, zirkonium en chroom. Dit is simpel voorgesteld op figuur 3.3.

16

Figuur 3.3: Een metaalrooster met waterstof

3.5 De koolstofnanobuisjes Koolstofnanobuisjes zijn microscopisch kleine, opgerolde plaatjes van grafiet die waterstof absorberen bij relatief hoge temperatuur en lage druk. Deze buisjes zijn zeer sterk. En zijn ook zeer efficiënt bij opslag bij grote dichtheid. Je kunt een voorstelling zien op figuur 3.4.

Figuur 3.4: De koolstofstructuur

17

4 De waterstofverbrandingsmotor De waterstofverbrandingsmotor werkt hetzelfde als de LPG- of benzinemotor. Het is dus ook een vonkontstekingsmotor. Hij wordt ook wel eens inwendige verbrandingsmotor genoemd. Een inwendige verbrandingsmotor is een krachtbron met maar één doel, namelijk het omzetten van de warmte-energie van de brandstof in een bruikbaar vermogen. De verbranding van de brandstof gebeurt in de verbrandingskamer van de cilinder. 4.1 Werkingsprincipe van de verbrandingsmotor De werking van de viertaktverbrandingsmotor is gebaseerd, zoals de naam het zegt, op vier takten of ook wel tijden genoemd. De 4 takten zijn: de inlaatslag, de compressieslag, de arbeidsslag en de uitlaatslag. Deze zijn voorgesteld op figuur 4.1. De inlaatslag: Tijdens de inlaatslag is de inlaatklep geopend en de uitlaatklep is gesloten. De inlaatslag is de slag waarbij de zuiger beweegt van zijn hoogste plaats naar zijn laagste plaats. Omdat er een onderdruk ontstaat in de cilinder doordat het volume groter wordt, wordt de cilinder gevuld met een mengsel van brandstof en lucht. De krukas is nu 180° gedraaid. De compressieslag: Tijdens de compressieslag wordt de inlaatklep gesloten, de uitlaatklep blijft in gesloten toestand. De zuiger beweegt van zijn laagste punt tot het hoogste punt, hierdoor wordt het mengsel van brandstof en lucht samengeperst. De krukas heeft nu in totaal 360° gedraaid. De arbeidsslag: Tijdens de arbeidsslag blijven de in- en uitlaatklep gesloten. Wanneer de zuiger op zijn hoogste punt is, en het mengsel dus het meest compact is, ontstaat er een vonk tussen de elektroden van de bougie. Door deze vonk verbrandt het mengsel zeer snel, hierdoor komt er warmte vrij waardoor het verbrande mengsel uitzet en wordt de zuiger naar beneden geduwd. De krukas heeft nu 540° gedraaid. De uitlaatslag: Tijdens de uitlaatslag wordt de uitlaatklep geopend, de inlaatklep blijft gesloten. De zuiger beweegt opnieuw naar het hoogste punt, hierdoor wordt het verbrande mengsel naar buiten gedreven. Nu sluit de uitlaatklep en de inlaatklep opent, nu kunnen we aan een nieuwe cyclus beginnen. Na de vier takten is de krukas 720° gedraaid.

18

Figuur 4.1: De 4 takten van een motor

4.2 Aanpassingen voor de waterstofverbrandingsmotor De waterstofverbrandingsmotor lijkt heel sterk op de benzinemotor. Hij verschilt eigenlijk maar op 2 punten, namelijk de waterstoftank en de injectie van het mengsel van waterstof en lucht. De waterstoftank wordt besproken in één van de vorige hoofdstukken. De injectie van het waterstofmengsel gebeurt door speciale inblaaskleppen die op een fractie van een seconde de juiste hoeveelheid waterstofgas in de aanzuiglucht injecteren. Het is zeer belangrijk dat de juiste waterstofgashoeveelheid wordt toegevoegd, want onder vollast is de verhouding

tussen lucht en waterstof gelijk aan 1.

== 1

)(

)(

2

2

Hn

Onλ Wanneer de motor in

deellast draait, werken we op een verhouding van zuurstof en waterstof groter

dan twee op één.

≥1

2λ . Bij deze verhouding rijden we op een relatief lage

temperatuur en is de uitstoot van stikstofoxide (NOx), koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO2) lager. Deze stikstofoxide is afkomstig van de smeerolie in de motor die bij hoge temperaturen verbrandt. Deze waterstofmotor stoot volledige milieuvriendelijke gassen uit dus gaan we deze stikstofoxide ook niet zomaar laten ontsnappen. Daarom plaatsen we een driewegkatalysator. Een driewegkatalysator is een toestel met als doel de uitlaatgassen katalytisch te reinigen. Een katalysator in de chemie is een stof die de snelheid van een reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. De driewegkatalysator is een metalen buis met binnenin een plaat waarin een honingraatpatroon zit. De uitlaatgassen

1. De inlaatklep 2. De bougie 3. De uitlaatklep 4. De cilinder 5. De zuiger 6. De drijfstang 7. De krukas

19

worden door dit patroon geleid. In dit patroon zitten de metalen verwerkt die als katalysator gebruikt worden. Enkele voorbeelden zijn platina rhodium en criumdioxide. Op figuur 4.2 zie je een katalysator. De reactie in de katalysator gebeurt dan volgens de volgende vergelijkingen.

222

22

22

22

222

xCOOxHOHC

COOCO

CONNOCO

xx +→+→+

+→+

Figuur 4.2: De katalysator 4.3 Energie die vrijkomt bij de waterstofverbranding De energie die vrijkomt wanneer we waterstof verbranden kunnen we berekenen door middel van de bindingsentalpieën. H–H + H–H + O=O � H–O–H + H–O–H H–H: -436 kJ/mol O=O: -498 kJ/mol O-H: -462,5 kJ/mol 2 H–H � ∆H1 = 2 * (+463 kJ/mol) = +872 kJ/mol O=O � ∆H2 = +498 kJ/mol 2 H–O–H � ∆H3 = 4 * (-462.5 kJ/mol) = -1850 kJ/mol ∆Htotaal = 872 kJ/mol + 498 kJ/mol – 1850 kJ/mol = 480 kJ/mol Nu willen we weten hoeveel energie 1 liter vloeibaar waterstof heeft onder een druk van 500 bar. Dus als we 1 liter willen hebben onder een druk van 500 bar hebben we dus eigenlijk 500 liter onder atmosferische druk nodig. Waterstofgas heeft een dichtheid van 0,071 g/l. Dus gramlgl 5.350/071.0*500 = .

Dus samengevat 1liter H2 onder een druk van 500 bar heeft een massa van 350,2 gram.

20

De molaire massa van waterstof is 1.008 g/mol. Dus voor H2 is de molaire massa 2,016 g/mol. Dus 1 liter H2 onder een druk van 500bar bestaat uit:

Dus 1 liter H2 onder een druk van 500 bar dat we laten verbranden geeft een energie vrij van 3210000²00 joule. We moeten wel rekening houden dat het waterstofgas niet onder een druk van 500 bar wordt ingespoten in de cilinders. 4.4 Rendement Berekeningen voor het rendement van de waterstofverbrandingsmotor kan ik spijtig genoeg niet doen, omdat niemand specifieke informatie wil of kan vrijgeven zoals de warmteverliezen en het verbruik. BMW beweert wel dat ze een rendement van 42% hebben met hun BMW Hydrogen 7.

molmolg

g

u

mn 7.173

/016.2

2.350 === met n = aantal mol m = massa in gram u = molaire massa in gram per mol

21

5 De brandstofcel 5.1 Algemene werking De werking van een waterstofbrandstofcel is eigenlijk het tegenovergestelde van de elektrolyse van water. Bij elektrolyse van water scheidt men waterstof en zuurstof af door een elektrische stroom door water te sturen. Simpel voorgesteld op figuur 5.1. In de waterstofbrandstofcel gebeurt juist het omgekeerde. Waterstof en zuurstof reageren tot water en er wordt een kleine spanning opgewekt. Simpel voorgesteld op figuur 5.2.

Figuur 5.1: elektrolyse van water Figuur 5.2: omgekeerde elektrolyse In plaats van warmte-energie die vrijkomt, komt er elektrische energie vrij. Deze geproduceerde stromen zijn echter zeer klein. De redenen hiervoor zijn het lage contactoppervlak tussen het gas en de elektroden en de relatief grote afstand tussen de elektrodes. Om toch grote stromen te kunnen produceren, worden de elektrodes meestal plat uitgevoerd met een dunne laag elektrolyt ertussen. De elektrodes en de elektrolyt zijn dan vervaardigd van poreus materiaal zodat het waterstofgas en het zuurstofgas elk langs een van de kanten kunnen binnendringen. Nu zijn de 2 redenen voor de lage stroom opgelost. Want de afstand tussen de elektrodes is nu minimaal en de contactoppervlakte is maximaal. Op figuur 5.3 is een schets hiervan te zien. Om te begrijpen hoe de chemische reactie tussen waterstof en zuurstof elektrische energie opwekt bekijken we de verschillende brandstofcellen afzonderlijk, omdat dit bij elke soort anders werkt.

22

Figuur 5.3: schets van de brandstofcel Zoals we merken lijkt de brandstofcel voor een deel op een batterij. Zowel in batterijen als in brandstofcellen wordt er spanning door inwendige elektrochemische bindingen opgewekt. Het grootste verschil tussen een batterij en een brandstofcel is dat bij de brandstofcel constant nieuwe reagentia worden toegevoegd. Bij een batterij niet, daarom levert een batterij na een bepaalde tijd geen spanning meer. De opstelling van de brandstofcel is te zien op figuur 5.4. Aan de anode wordt brandstof toegevoegd, aan de kathode wordt zuurstof toegevoegd. De ionen bewegen vrij van anode naar kathode en omgekeerd via de elektrolyt. De verbruiker is uitwendig aangesloten op de 2 elektroden. In de reactie die in de anode plaatsvindt, komen elektronen vrij. Deze gaan via het uitwendige circuit naar de kathode toe en zorgen dus voor een spanning in de verbruiker. Om een constante lading te hebben in de elektroden gaan er ook constant elektronen van de kathode naar de anode doorheen de elektrolyt. We krijgen nu een spanning van 0,7V. De kant waar we zuurstof aanvoeren is de kathode of de positieve pool, de waterstofkant is de anode of negatieve kant.

23

Figuur 5.4: aansluiten van de brandstofcel Men plaatst brandstofcellen in serie door de anode van de ene cel te verbinden met de kathode van de volgende cel. Het enige probleem is dat de elektronen over het contactoppervlak moeten vloeien tot aan het stroomverzamelingspunt op de hoek van de elektrode. Maar als de celspanning maar 0.7V bedraagt, moeten we rekening houden met een kleine spanningsval. De bipolaire platen brengen hier een oplossing. Deze plaat maakt een verbinding tussen elke anode en kathode en zorgt ook ineens dat er brandstof en zuurstof naar de anode en kathode worden gevoerd. De aanvoer van de brandstof en zuurstof dient strikt gescheiden te zijn want anders werkt de brandstofcel natuurlijk niet, maar de verbinding tussen de twee elektrodes moet blijvend zijn. De werking wordt uitgelegd aan de hand van figuur 5.5. De gegroefde platen worden gemaakt van een goede geleider zoals grafiet of roestvrij staal. De platen zorgen voor de elektrische verbindingen, de groeven zorgen voor de aanvoer van brandstof en zuurstof. Door de groeven een keer verticaal te laten lopen en de andere keer horizontaal zorgen we voor een duidelijk scheiding tussen de brandstof en de zuurstof.

24

Figuur 5.5: De praktische brandstofcel. 5.2 Verschillende brandstofcellen 5.2.1 De polymeer brandstofcel (PEMFC)

Figuur 5.6: De PEMFC-brandstofcel

25

De polymeer brandstofcel wordt gebruikt in alle soorten rijdende voertuigen, kleinschalige warmtekrachtkoppelingen en ook in draagbare stroomvoorzieningen zoals gsm’s en laptops. De PEMFC wordt geclassificeerd bij de lage temperatuur brandstofcellen met zijn werkingstemperatuur tussen de 30°C en 100°C. De werking is als volgt: Aan de anode ioniseert het waterstofgas volgens de vergelijking:

−+ +→ eHH 442 2

Deze reactie produceert energie. Aan de kathode reageert zuurstof met de elektronen (4e-) die via het elektrische circuit toekomen en de waterstofprotonen (4H+) die via het polymeer membraan zijn toegekomen.

02440 22 HHe →++ +−

De polymeer brandstofcel maakt gebruik van een polymeer membraam als elektrolyt. Dit membraan is een membraam dat na bevochtiging protonen uitwisselt (proton exchange membrane), namelijk de H+ ionen. We merken op dat dit membraan enkel protonen mag doorlaten en geen elektronen, omdat de elektronen via het elektrische circuit moeten vloeien. 5.2.2 De alkalische brandstofcel (AFC)

Figuur 5.7: De AFC-brandstofcel De alkalische brandstofcel wordt gebruikt in de ruimtevaart, onderzeeërs, militaire toepassingen en ook in de kleine warmtekrachtkoppelingen. De AFC(Alkaline Fuel Cell) wordt geclassificeerd bij de lage temperatuur brandstofcellen met zijn werkingstemperatuur tussen 50°C en 200°C.

26

De werking van de AFC is grotendeels te vergelijken met de PEMFC, maar ook met alle anderen. Als elektrolyt wordt bij de AFC gebruik gemaakt van een KOH-oplossing. Deze oplossing is een base die alkali wordt genoemd. In het alkali zijn hydroxide-ionen aanwezig. Aan de anode reageren deze ionen met waterstof, en vormen op deze manier water en komt er energie vrij. Dit gebeurt volgens de vergelijking:

−− +→+ eOHOHH 4442 22

Aan de kathode reageert zuurstof met elektronen vanuit de elektrode(kathode) en ook met water dat van de anode via de elektrolyt naar de kathode is gekomen. Er worden nieuwe hydroxide-ionen gevormd volgens de vergelijking:

−− →++ OHOHeO 424 22

Maar deze reacties gaan niet constant blijven verder gaan tenzij we zorgen dat het hydroxide-ionen aan de elektrolyt kunnen passeren. En de elektronen moeten van de anode naar de kathode kunnen vloeien. Dit gebeurt via een elektrisch circuit, dit zorgt dan ook ineens voor de elektrische energie. We merken ook op dat we twee keer zoveel waterstof nodigen hebben als zuurstof net zoals bij de PEMFC. 5.2.3 De fosforzure brandstofcel (PAFC)

Figuur 5.8: De PAFC-brandstofcel De fosforzure brandstofcel is een brandstofcel die vooral gebruikt wordt in kleine energiesystemen zoals hotels, ziekenhuizen, kantoren, maar ook in zware voertuigen zoals heftrucks en bussen.

27

De PAFC behoort tot de hoge temperatuur brandstofcellen met een werkingstemperatuur tussen de 180 en 200°C. De PAFC werkt ook ongeveer hetzelfde als de PEMFC maar de elektrolyt is hierbij een organisch fosforzuur dat de protonen geleidt. Aan de anode ioniseert het waterstofgas en laat elektronen vrij en vormt zo protonen.

−+ +→ eHH 442 2

Aan de kathode reageert de zuurstof met elektronen van de elektrode en met waterstofprotonen om zo water te vormen.

OHHeO 22 244 →++ −−

5.2.4 De vaste oxide brandstofcel (SOFC)

Figuur 5.9: De SOFC-brandstofcel Het vaste oxide brandstofcel is een brandstofcel die gebruikt wordt voor hoge energietoepassingen zoals de industrie of zelfs als energiecentrales. Deze brandstofcel is de cel met de hoogst gelegen werkingstemperatuur namelijk tussen de 600 en 1000 graden Celsius en behoort dus tot de groep van de hoge temperatuur brandstofcellen. De elektrolyt van deze brandstofcel is een oxide-ion geleidend keramisch materiaal. Er verplaatst zich een negatief geladen oxide-ion van de kathode via de elektrolyt naar de anode. Aan de anode reageert dit ion dan met de waterstof en vormt water.

−− +→+ eOHOH 222

2

28

Aan de kathode reageert de zuurstof met de elektronen van de anode en er worden dus nieuwe oxide-ionen gevormd.

−− →+ 22 24 OeO

We merken dus op dat er 2 keer zoveel waterstof al zuurstof nodig is om deze cel zijn werk te laten doen. 5.2.5 De gesmolten carbonaat brandstofcel (MCFC)

Figuur 5.10: De MCFC-brandstofcel De gesmolten carbonaat brandstofcel heeft hetzelfde toepassingsgebied als de SOFC dus de zwaardere industriële toepassingen en grootschalige energieopwekking. De elektrolyt bij dit type brandstofcel is een gesmolten mengsel van

alkalimetaalcarbonaten dat zich bevindt in een matrix van 2LiAlO

5.3 Brandstofcellen in serie De uitgangsspanning van een enkele brandstofcel bedraagt ongeveer 0,7V. Met 0,7V kunnen we niet veel doen, dus plaatsen we verschillende brandstofcellen in serie. De totale spanning is dan de som van de spanning per bron. De stroom is de maximumstroom die één bron, hier de brandstofcel kan geven. Deze serieschakeling is dan een stapel of ‘’stack’’. Zo kunnen we een elektromotor aandrijven

29

5.4 Voordelen van de brandstofcel Het grootste voordeel van een brandstofcel is dat ze geen schadelijke stoffen uitstoot. En dus is ze niet schadelijk voor de natuur. Dit is wel onder één voorwaarde en deze is dat we de waterstof op een natuurvriendelijke natuur opwekken door middel van groene energie in plaats van kernenergie. Andere voordelen van een brandstofcel zijn dat de brandstofcel bijna geluidloos werkt. Ze hebben een geluidsgrens van 60dB(A) op 10 meter afstand. De decibel A is een eenheid die de geluidssterkte weergeeft naar menselijke waarneming. 60dB(A) komt overeen met het geluid van een haardroger. Maar ook dat de brandstofcel nauwelijks bewegende delen bevat, is een groot voordeel. Er is dus weinig of geen onderhoud aan, in tegenstelling tot andere motoren. Sommige brandstofcellen werken enkel bij een hoge temperatuur, dit heeft als voordeel dat we deze niet enkel voor elektrische toepassingen kunnen gebruiken maar ook de warmte ervan kunnen gebruiken. Voorbeelden hiervan zijn de MCFC en de SOFC. 5.5 Nadelen van de brandstofcel Maar waarom wordt de brandstofcel dan nog niet toegepast? De grootste reden hiervoor is dat de brandstofcel nog een relatief nieuwe technologie is en dus ook nog tamelijk prijzig is. De prijzen liggen tussen €3500 en €10000 per kWe (=kilowatt elektrisch vermogen). Maar de meeste bedrijven denken wel dat de prijs gaat dalen vanaf het moment dat de brandstofcel in serie wordt gemaakt tot een prijs van €1200 tot €1500 per kWe, wat al veel beter is. Wat ook een zeer grote rol speelt is dat er nog geen waterstofnetwerk is. Als je nu een auto koopt die op waterstof rijdt, ben je er nog niets mee. Dus vanaf het moment dat er aan meerdere tankstations waterstof kan getankt worden, zal de vraag naar waterstofauto's ook groter worden. Maar dit is een vicieuze cirkel. Want als er meer toepassingen zijn die waterstof gebruiken, gaat de economie er zich wel aan aanpassen en gaan we veel gemakkelijker aan waterstof geraken.

30

6 De gelijkstroommotor Een gelijkstroommotor is een elektrische machine die elektrische gelijkstroomenergie omzet in mechanische rotatie-energie. 6.1 Het principe van de elektromotor: de lorentzkracht Het principe van de elektromotor is gebaseerd op de lorentzkracht. De lorentzkracht is de kracht die een stroomvoerende geleider ondervindt in een magnetisch veld. De zin van de lorentzkracht kan bepaald worden met de linkerhandregel. De linkerhandregel werkt als volgt:

• We houden de veldlijnen tegen in de linkerhandpalm • We plaatsen de vingers in de zin van de stroom • De duim wijst nu in de zin van de kracht

De figuur 6.1 verduidelijkt de linkerhandregel.

Figuur 6.1: De linkerhandregel De verklaring voor deze kracht is eigenlijk heel simpel. De stroomvoerende geleider zorgt zelf voor een magnetisch veld waarvan we de zin kunnen bepalen met de rechterhandregel. Als we dan deze geleider met zijn magnetisch veld in een magnetisch veld brengen, hebben we twee magnetische velden. Dit zorgt voor afstoting of aantrekking.

De grootte van deze kracht kunnen we bepalen met de formule IlBFLK ..=

31

Dus we merken dat de lorentzkracht ( LKF ) afhankelijk is van de fluxdichtheid

( B ), de lengte van de geleider die door het magnetische veld loopt ( l ) en ook van de stroom ( I ) door de geleider. 6.2 Constructie De constructie van een gelijkstroommotor is juist dezelfde als de constructie van een gelijkstroomgenerator. Dus we kunnen dezelfde machine als generator en als motor gebruiken. 6.2.1 De stator: De stator bestaat uit een juk (= stalen ring) van gelast staal of van gietstaal. Aan de binnenkant van de juk hangen 2 of meerdere hoofdpolen die zorgen voor het magnetisch veld. De pool bestaat uit een massieve kern, een poolschoen van gelamelleerd siliciumstaal en de veldwikkelingen. 6.2.2 De rotor: De rotor of het anker bestaat uit een gelamelleerde en geperforeerde cilinder. Deze cilinder wordt gelamelleerd om de wervelstromen te beperken. En hij wordt geperforeerd om in deze gaten de rotorwikkelingen te kunnen leggen. 6.2.3 De collector of commutator: De collector is het onderdeel dat ervoor zorgt dat de rotorwikkeling op een juiste manier gevoed wordt. Deze is opgebouwd uit verschillende koperen lamellen, die onderling van elkaar geïsoleerd zijn met mica of kunststof. De collector wordt op de rotoras bevestigd, geïsoleerd natuurlijk. De koperen lamellen, die gevoed worden met een stroom, zijn door middel van koolstofborstels verbonden met de ankerwikkelingen. We gebruiken de collector omdat we bij een elektromotor een wisselend magnetisch veld nodig hebben. Dus moeten we de gelijkstroom zo omvormen dat deze constant wisselt van polariteit. Om dit simpel voor te stellen nemen we twee holle cilinderhelften die geïsoleerd zijn ten opzichte van elkaar. Deze cilinderhelften draaien mee met de rotor en zijn verbonden met de rotorspoel. Langs een kant bevestigen we een koolstofborstel die met een positieve lading gevoed wordt, langs de andere kant bevestigen we een tweede koolstofborstel die gevoed wordt met een negatieve stroom. Deze twee koolstofborstels staan vast en draaien dus niet meer rond. We kunnen dit zien op figuur 6.2.

32

Figuur 6.2: De collector of commutator 6.2.4 Magnetische velden In de motor hebben we twee magnetische velden die op elkaar inwerken. Als eerste hebben we het magnetisch veld gecreëerd door de permanente magneet. Als tweede magnetisch veld hebben we het magnetisch veld dat ontstaat wanneer we een stroom door de rotorspoel sturen. De twee velden staan loodrecht op elkaar dus ze werken op elkaar in en we krijgen een veld zoals we kunnen zien op figuur 6.3. We merken ook op dat de neutrale zone meedraait wanneer de rotorstroom stijgt.

Figuur 6.3: Magnetische velden in een gelijkstroommotor De polen trekken elkaar aan of stoten elkaar af. Hierdoor ontstaat een draaiende beweging waardoor de rotor ook gaat bewegen en de collector dus ook mee gaat

33

ronddraaien met als gevolg dat de spoel ander gepolariseerd wordt en we terug bij het begin zijn gekomen. Om ons neutraal veld toch terug mooi loodrecht op het magnetische veld, ontstaan door de permanente magneet, te kunnen zetten, plaatsen we twee hulppolen bij. Hulppolen zijn dunne polen die tussen de hoofdpolen geplaatst worden. Het zijn elektromagneten die in serie worden geplaatst met de rotor. Ze worden zo gewikkeld dat hun magnetisch veld tegengesteld gericht is aan het magnetische veld van de rotorwikkelingen maar wel even groot is. Het nadeel van deze oplossing is wel dat de hulppolen niet meer helpen bij zwaar belaste motoren. Figuur 6.4 verduidelijkt dit.

Figuur 6.4: Schematische weergave van de hulppolen Maar hier hebben we een oplossing voor, namelijk de compensatiewikkelingen. De compensatiewikkelingen zijn gelegen in groeven in de hoofdmagneet en worden net zoals de hulppolen in serie geplaatst met de rotor. Ze zijn zo gewikkeld dat hun veld omgekeerd gepolariseerd staat als het magnetische veld van de hoofdmagneet. Dit kan je zien op figuur 6.5.

Figuur 6.5: Schematische weergave van de compensatiewikkelingen

34

6.3 Vermogen en rendement van gelijkstroommotors

t

n

P

P=η

met als toegevoegd vermogen: fUIUP ft .. +=

Het mechanische koppel dat de motor op de as ontwikkeld kunnen we berekenen met volgende formule.

[ ]Nmn

PM

n

PM

nMP

WMP

n

N

n

n

55.9.2

.6060

.2.

.

=

=⇒

=

=

π

π

We kunnen het koppel ook mechanisch gaan berekenen.

kIMdl

IldM

IlBdM

FdM

rFM

rFM

LK

LK

...

..

...

.

.2

.

Φ=

Φ=

====

6.4 Regeling van de rotatiesnelheid

Φ−

=

Φ=→

Φ=

.

..

..

k

IRUn

k

En

nkE

ai

ai IR . is verwaarloosbaar klein. Dus we kunnen zeggen dat

Φ≈

.k

Un k is de motorconstante.

In woorden wil dit dus zeggen dat het toerental afhankelijk is van de bronspanning (U), de constructie van de motor (k) en de bekrachtigingflux (Φ ).

met η = rendement Pn = nuttige vermogen Pt = toegevoegd vermogen

met M = koppel in Newtonmeter W = arbeid in joule

n = toerental in toeren per minuut

met F = kracht in Newton r = straal in meter B = magnetische veld in Tesla l = lengte in meter I = stroom in Ampère Ф = flux in Newtonvierkante meter per Coulomb k = constante

met E = elektrische veldsterkte in Newton per Coulomb

35

6.5 Rendement van brandstofcelaangedreven gelijkstroommotor Het rendement is de verhouding van de inkomende energie en de uitgaande energie.

in

uit

energie

energie=η

De energie die we nodig hebben om 1l waterstof te produceren is gelijk aan de energie die vrijkomt wanneer we 1l waterstof verbranden. Deze berekening hebben we al gedaan in een vorig hoofdstuk. De energie die vrijkomt bij de verbranding van waterstof is 480 kJ/mol. De dichtheid van waterstof is 0,071 g/l.

sWJmolmolJEnE

molmolg

g

M

mn

gllgVm

gverbrandin .1680016800035,0./10.480.

035,0/016,2

0071,0

0071,01./0071,0.

3 ====

===

=== ϕ

De energie die we nodig hebben voor de elektrolyse van 1l waterstof is 16800J. De verliezen zijn het warmteverlies van de brandstofcel en de verliezen op de motor zelf, zoals wrijving, jouleverliezen in de wikkelingen en de magnetische verliezen. De verliezen op de brandstofcel zijn ongeveer 40%, dus 60% rendement. De verliezen van de motor zijn 20%, dus 80% rendement. We kunnen samenvattend zeggen dat de mechanische energie van de gelijkstroommotor in totaal neerkomt op de elektrolyse-energie vermenigvuldigd met het rendement van de motor en van de brandstofcel.

Jenergieuit 806460,0.80,0.16800 ==

%48%100.16800

8064 ==J

Jη

Het rendement van de gelijkstroommotor aangedreven door een brandstofcel is 48%.

36

7 Verschil tussen het rendement van een batterij en een brandstofcel De brandstofcel is een manier van de toekomst om een elektromotor aan te drijven. Een andere manier is door middel van een batterij zoals nu al wordt toegepast in de elektrische auto’s. Als praktische proef heb ik gekozen om het rendement van beide eens uit te rekenen. Hiervoor heb ik gebruik gemaakt van een demonstratieauto aangedreven door een brandstofcel. De demonstratieauto kan je zien op figuur 7.1.

Figuur 7.1: Demonstratiekitje waterstofauto Als eerste heb ik het rendement berekend van de batterij. Dit heb ik gedaan door het eerst twee AA-batterijen een gedurende 2u te laten opladen met een bepaald spanning en stroom. Nadien heb ik de batterijen aan de motor van de demonstratieauto gekoppeld en heb dan de energie berekend.

%5,45

%100.min120.08,0.9,2

min5,16.32,0.4.2

%100...

..

%100..

.

%100.

=

=

=

=

=

batterij

batterij

lll

bbbbatterij

ll

bbbatterij

l

bbatterij

AV

AV

tIU

tIU

tW

tW

E

E

η

η

η

η

η

Als tweede heb ik het rendement van de brandstofcel berekend. Dit heb ik gedaan door waterstof aan te maken door middel van elektrolyse en de hiervoor nodige energie op te meten. Nu hebben we een bepaalde hoeveelheid zuurstofgas en waterstofgas. Deze twee gassen sluiten we aan op de brandstofcel waarop de motor ook is aangesloten. Nu bereken we de energie die van de brandstofcel komt.

ηbatterij = rendement van de batterij in procent Eb = energie van de batterij in joule El = energie van de lader in joule W = vermogen in Watt t = tijd in minuten U = spanning in Volt I = stroom in Ampère

37

%52

%100.min1.00,1.4,2

min8,7.19.0.84.0

%100...

..

%100..

.

%100.

=

=

=

=

=

elbrandstofc

elbrandstofc

bbb

wwwelbrandstofc

bb

wwelbrandstofc

b

welbrandstofc

AV

AV

tIU

tIU

tW

tW

E

E

η

η

η

η

η

Figuur 7.2: De onderdelen van de waterstofauto Figuur 7.3: De tankjes vullen doormiddel van elektrolyse met zonne-energie

ηbrandstofcel = rendement van de brandstofcel in procent Ew = energie van de brandstofcel in joule Eb = energie van de batterij in joule W = vermogen in Watt t = tijd in minuten U = spanning in Volt I = stroom in Ampère

38

Toekomst Hoe staat het nu met de toekomst van waterstofmotoren? Zoals we merken heeft enkel de gelijkstroommotor aangedreven door een brandstofcel toekomst omdat het rendement hiervan 48% is, wat duidelijk hoger ligt dan de waterstofverbrandingsmotor met een rendement van 42%. Als we dit vergelijken met het rendement van een benzinemotor (25%) of van de dieselmotor (40%) ligt het rendement van waterstof duidelijk het hoogst van de nu bekende motoren. Nog een bijkomend voordeel is dat de brandstofcel geen schadelijke stoffen uitstoot. Dit is wel onder één voorwaarde en deze voorwaarde is dat de elektrische energie voor het opwekken van de waterstof op een groene, milieuvriendelijke manier gebeurt. Wat in deze moderne tijd toch ook wel heel belangrijk is. Maar waarom zien we dan nog steeds geen waterstofauto’s? Ook al waren er waterstofplannen voor verbrandingsmotoren en brandstofcellen al in de jaren 60? Ik denk dat dit vooral te maken heeft met onze economie. Zolang wij nog willen betalen voor de fossiele brandstoffen, remmen de brandstofverkopers dit nog sterk af. Zo doen de verhalen de ronde dat er al een tijdje verschillende alternatieve motoren bestaan maar de brandstofverkopers betalen die om dit (nog) niet op de markt te brengen. Dus ik denk dat waterstof nog wel een tijdje uit het straatbeeld blijft. Maar op dit moment is waterstof de brandstof van de toekomst.

39

8 Veiligheid In de media beweren ze dat auto’s met waterstof zeer gevaarlijk zijn, maar in werkelijkheid is het juist het tegenovergestelde. Waterstof is bijna niet brandbaar wanneer het samengeperst of in vloeibare toestand is. Dit kan je uitleggen door wanneer er een gaatje in een waterstofvat zit, de waterstof met een zeer grote kracht ontsnapt. Hierdoor koelt de waterstof zo ver af dat het niet kan ontvlammen. Het ontsnappende gas bevriest elk mogelijk vlammetje. Op figuren 6.1 en 6.2 is de linkerauto telkens de waterstofauto, de rechterauto is de auto op benzine. Figuur 9.1 is de verbranding 3 seconden na de ontsteking. Figuur 9.1 is de verbranding 60 seconden na de ontsteking. We merken dat als de waterstofauto ontvlamt, de waterstof in een kortstondige grote hoge vlam verbrandt in tegenstelling tot van benzine. Benzine maakt een hele vuurzee. Dus bij waterstof blijft de schade beperkt.

Figuur 9.1: De verbranding na 3s Figuur 9.2: De verbranding na 60s Waterstofgas is net als aardgas een geur- en kleurloos gas. Daarom voegt men bij de gassen een bekende geur zodat iedereen dit kan waarnemen. Maar het bijmengen van geurstoffen is niet zo simpel bij waterstof omwille van de kleine moleculen. Als waterstofgas verbrandt, zien we ook geen vlam. Dit kan dus ook leiden tot zeer gevaarlijke situaties.

40

41

42

43

Besluit Waterstof is de brandstof van de toekomst. Ook al is het niet echt een brandstof maar eerder een energiedrager die, liefst groene, energie overbrengt naar de elektromotoren. Er zijn nu nog enkele factoren die verandert moeten worden om de waterstofauto’s in productie te zien zoals groene energie voorzien voor de elektrolyse van water, de waterstofauto met brandstofcel in productie nemen en waterstoftankstations bouwen. Maar volgens mij is waterstof de toekomst. Het rendement ligt hoger als van de traditionele auto’s en het is milieuvriendelijk. Het enige probleem is dat de prijs van een auto nu nog heel hoog ligt, maar dit komt ook grotendeels doordat de auto’s nog niet in serie geproduceerd worden. Maar ik geloof erin. Tenzij er nog alternatieve motoren bestaan met een nog hoger rendement waarvan ik nog niets weet.

44

Bibliografie Boeken: BERLOZNIK R., ‘Waterstof, motor van de toekomst’, viWTA, Dossier 17, 2008 BUCHNER W., SCHLIEBS R., WINTER G., BUCHEL K., Industrielle anorganische chemie, New York, 1986. GIJS M., VAN DER VINNE V., DE elektroauto: het paard van Troje?, Deventer, 1995. DECUYPER P., DREESEN B., De eureka bus, eindwerk, Schaarbeek, 1994 FARNDON J., Waterstof, De elementen, Harmelen, 2002. JANS S., HORIONS M., Project alkalische brandstofcel, Diepenbeek, 2007. JANSEN J., Chemie 2000 MAXI 3, 2de druk, Deurne, 1994. MUYLAERT J., ‘Zoemend door het verkeer’, Het nieuwsblad, 13 spetember 2008. NV NEDERLANDSE GASUNIE, ‘Physical properties of natural gases’, Groningen, 1988 OP ’T ROODT M.A.J., Elektrische machines, Lier, 1992. OP ’T ROODT M.A.J., Gelijkstroomtheorie, Lier, 1992. PAPERBACK, Autotechnische formules, Amerongen, 1996. SALIMANS J., VAES A., Eindwerk master,Energieproject KHLim., Hasselt, Juni 2008 SCHRAUWERS A., Opslag van ‘schone’energiedrager in gashydraten mogelijk bij slechts 100 bar, Delft Integraal, 2004, nr.2, p2-6. STOFFELS, G., ’Koortsachtig op zoek naar het andere rijden’, EOS, jaargang 9, 2004, april, nr.4, p. 88-94. TECHNICAL SERVICES, Fuel Cell Handbook, Morgantown, West Virginia, 2004 THIELEMANS M., VAN DEN BROECK J., Hydrogenius 2 Opel Corsa Combo, eindwerk, Hoboken, 2008 VAN EECHHOUDT L., H2 Compressie met Hoerbriger kleppen, eindwerk, St.Katelijne Waver, 2002. E-mail: BOSSCHAERTS J., (jan.bosschaerts@airliquide.com), productie van waterstof, email aan POELMANS K., (kristof.poelmans@gmail.com), 2008-10-06. DE GREEF L., (luc.de-greef@psmets.net.bmw.be), BMW Clean Energy, email aan POELMANS K., (kristof.poelmans@gmail.com), 2008-10-06. FARNDON J., Waterstof, De elementen, Harmelen, 2002. GIJS M., VAN DER VINNE V., DE elektroauto: het paard van Troje?, Deventer, 1995. VAN BOGAERT G., (gilbert.vanbogaert@vito.be), algemene uitleg, email aan POELMANS K., (kristof.poelmans@gmail.com), 2008-10-05. VAN DE SANDE G., (guido.van.de.sande@hygear.nl), productie van waterstof uit aardgas, email aan POELMANS K., (kristof.poelmans@gmail.com), 2008-10-05. VERHELST S., (sebastian.verhelst@ugent.be), Waterstof als energiedrager, email aan POELMANS K., (kristof.poelmans@gmail.com), 2008-10-05.

45

Internetsites: www.autozine.nl www.baluw.nl/index.php?id=57 www.BMW.com www.brandstofcel.com www.fuelcellstore.com www.fuelcelltoday.com www.google.be www.honda.com www.howstuffworks.com www.hydrogencommerce.be www.lenntech.com/elementen-periodiek-systeem/H.htm www.lindegasonline.nl www.neoweb.nl/forum2/index.php/topic,1702.0.html www.thinkquest.nl www.viwta.be www.waterstofverening.nl www.watertof.nl www.wikipedia.org

46

Erratalijst: P6 Maar denk ook aan andere verbindingen zoals waterstofchloride (HCl), ammoniak (NH3), koolstof (C), … Als je waterstof in vrije toestand aantreft op aarde dan is dit voornamelijk in ondergrondse holtes. In de atmosfeer kom je waterstof enkel in zeer kleine hoeveelheden tegen. Waterstofverbindingen zijn ontzettend belangrijk voor alle levende wezens. Bijna alle belangrijke biologische moleculen bezitten waterstof. Denk maar aan suikers (vb. glucose C6H12O6), proteïnen, cellulose. P20 Dus 1 liter H2 onder een druk van 500 bar dat we laten verbranden geeft een energie vrij van 834.105 Joule.