Scheikunde

3. Batterijen en brandstofcel

Gegeven door:
Henk de Beuker
Beschrijving Begrippen

In deze video met uitleg voor scheikunde gaan we het hebben over het opslaan van energie en over elektrochemische cellen. Het eerste deel zal gaan over de opslag van hernieuwbare energie. In het tweede deel zullen we het hebben over elektrochemische cellen en tot slot bespreken we brandstofcellen.

Brandstofcel

Een elektrochemische cel met zuurstof als oxidator en een brandstof als reductor

Oxidator

Neemt elektronen op. De elektrode waar oxidatie plaatsvindt, noemen we de anode.

Reductor

Staat elektronen af. De elektrode waar reductie plaatsvindt, noemen we de kathode.

Waterstofbrandstofcel

Bij verbranding van waterstof komt er alleen energie en water vrij.

Ion selectief membraan

Membraan wat selectief enkel positieve of enkel negatieve ionen doorlaat

Elektrolyt

Een vloeistof met ionen die zorgen voor de geleiding binnen de elektrochemische cel

Elektrolyse

Een reactie waarbij water wordt gescheiden in zuurstof en waterstof

Katalysator

Stof die de reactie versnelt en niet in de reactievergelijking voorkomt. Een katalysator wordt wel gebruikt, maar niet verbruikt

Redoxreactie

Reactie met elektronen overdracht, waarbij elektronen van reductor naar oxidator verplaatsen

Batterij

Een energieleveraar in de vorm van een elektrochemische cel, waarin redoxreacties plaatsvinden voor levering van elektrische energie

Halfcellen

Twee helften van een elektrochemische cel

Elektrochemische cel

Cel waarin redoxreacties plaatsvinden. In een elektrochemische cel hebben de oxidator (positieve elektrode/kathode) en de reductor (negatieve elektrode/anode) geen direct contact met elkaar: er is een gesloten stroomkring.

E1: Industriële processen

E2: Energieomzettingen

Samenvatting voor scheikunde: Batterijen en brandstofcellen


Hoe wordt hernieuwbare energie opgeslagen? 

We weten nu dat het gebruik van fossiele brandstoffen erg vervuilend is voor het milieu en dat het maken van biobrandstof ook z'n nadelen heeft, zoals de enorme stukken land die nodig is voor het produceren van de biomassa. Een alternatief is hernieuwbare energie, dat gewonnen wordt uit zon, water en wind. Het opwekken van energie op deze manier is zeer duurzaam door de hernieuwbare en grotendeels oneindige bronnen. De zon blijft namelijk schijnen en de wind blijft waaien.


Een probleem is echter dat deze manier van energie opwekken goede timing vereist. De opslag van de energie kan namelijk lastig zijn. Het moment dat de energie geconsumeerd wordt, oftewel nodig is of gebruikt wordt, is niet altijd gelijk is aan het moment dat de energie wordt opgewekt. Dit verschil in het moment van opwekken en het moment van gebruik zorgt voor de noodzaak voor de opslag van energie.


Zo heb je bijvoorbeeld zonnepanelen. Het verkrijgen van zonne-energie kan enkel als de zon schijnt. Maar die opgewekte energie is vaak juist ook voor het gebruik in de nacht. 

Er moet dus een goede manier zijn om de gewonnen energie op te slaan voor later gebruik. Voor de opslag van hernieuwbare energie kan gebruik gemaakt worden van iets dat we elektrochemische cellen noemen.


De elektrochemische cel

Bij elektrochemische opslag in zo’n elektrochemische cel, wordt de elektrische energie die is opgewekt omgezet in chemische energie. Deze chemische energie wordt opgeslagen in de elektrochemische cel als chemisch-reactieve stoffen. Vervolgens komt bij het ontladen van de cel deze chemische energie weer vrij als elektrische energie. De elektrochemische cel kan zo dus de opgewekte elektrische energie tijdelijk opslaan als chemische energie. Bekende voorbeelden van elektrochemische cellen zijn batterijen en accu’s. We zullen nu kort bespreken hoe een elektrochemische cel in elkaar zit. Uitgebreidere uitleg over de elektrochemische cel en de werking ervan kan je vinden in onze reeks video's over de redoxreacties


Hoe werkt een elektrochemische cel?

Bij een elektrochemische cel treedt namelijk een redoxreactie op waarbij elektronen via een externe verbinding worden overgedragen. Een elektrochemische cel bestaat dan ook uit twee halfcellen, namelijk de halfcel met de reductor en de halfcel met de oxidator. In een elektrochemische cel is er een fysieke scheiding tussen de oxidator-stof en de reductor-stof, zodat de inhoud van de twee cellen niet zomaar kan mengen.


Ze moeten echter wel met elkaar verbonden zijn. Dit kan dan door middel van een zoutbrug, poreuze wand, of membraan. In beiden halfcellen vind een halfreactie van een redoxreactie plaats. De halfcel met de reductor is de negatieve elektrode, en levert dus elektronen. Elektronen zijn natuurlijk negatief geladen, dus aangezien de reductor de negatieve elektronen levert, noemen we dit de negatieve elektrode of kathode. De halfcel met de oxidator neemt de elektronen dus juist op, en is hierdoor de positieve elektrode of anode. Positief trekt de negatieve elektronen namelijk aan, en neemt ze dus op. De cel heeft dus een positieve elektrode aan de ene kant, de oxidator, en een negatieve elektrode aan de andere kant, de reductor.


Elektrolyt

Deze elektroden hangen in iets dat we elektrolyt noemen. Dat is een vloeistof met ionen die zorgen voor de geleiding binnen de elektrochemische cel. Bij het plaatsvinden van een redoxreactie, dus een reactie waarbij elektronen worden uitgewisseld tussen stoffen en moleculen, worden dan de elektronen via een stroomdraad van de reductor naar de oxidator overgedragen. Er ontstaat dus een gesloten stroomkring in de elektrochemische cel. Door deze redoxreacties levert de elektrochemische cel energie op. 


Batterijen

Zo kan er dus bijvoorbeeld energie vrijkomen uit een batterij. Energielevering door een batterij is een bijzondere toepassing van een redoxreactie. De overgedragen elektronen leggen namelijk een omweg af, waarbij ze elektrische energie leveren. Als we het daarentegen juist willen opladen, dan zal de reactie omgekeerd moeten verlopen. De elektronen worden dan dus juist weer geabsorbeerd door de reductor, om ze later weer te kunnen afgeven om stroom te laten lopen.


Goed, batterijen en accu’s zijn dus goede voorbeelden van elektrochemische cellen waarmee we elektrische energie kunnen opslaan en later weer kunnen afgeven. Maar: batterijen en accu’s zijn relatief zwaar voor de hoeveelheid energie die ze leveren, en bevatten milieuvervuilende stoffen. Je hebt vast wel eens gehoord dat je batterijen niet zomaar weg mag gooien. Dat komt door die milieuvervuilende stoffen die erin zitten.


Wat is een brandstofcel?

De laatste jaren is er dan ook een nieuwe vorm van een elektrochemische cel populair geworden voor het opslaan van energie. Dat is de brandstofcel. De brandstofcel bevat, integendeel tot batterijen of accu’s, geen schadelijke stoffen en is dus minder milieuvervuilend. Daarnaast heeft de brandstofcel nog meer positieve kanten. Het is namelijk veel kleiner en minder zwaar dan een batterij of accu. 


Een brandstofcel is een elektrochemische cel. Het verschil met een gewone elektrochemische cel of batterij is de continue aanvoer van reagerende stoffen: de brandstof en zuurstof uit de lucht en de continue afvoer van reactieproducten. Het elektrolyt in een brandstofcel is vaak een ionselectief membraan. Langs de ene elektrode stroomt waterstofgas, langs de andere lucht. Onder invloed van katalysatoren, die in de elektroden verwerkt zijn, verlopen halfreacties. Tussen de elektroden zit een elektrolyt of een ionselectief membraan.


Bij een brandstofcel wordt in de positieve halfcel continu zuurstof geleid, welke functioneert als oxidator. In de negatieve elektrode, dus de andere halfcel, reageert een brandstof als reductor. Dit kan bijvoorbeeld methaan, waterstof of methanol zijn. Enkel bij waterstof wordt er echter geen koolstofdioxide gevormd. Waterstof als reductor is dus het meest wenselijk voor het milieu. 


De waterstof-zuurstof-brandstofcel

De laatstgenoemde vorm van een brandstofcel is ook wel de waterstof-zuurstof-brandstofcel. In deze brandstofcel wordt waterstof als reductor, met behulp van zuurstof als oxidator, omgezet in water. Bij deze reactie wordt chemische energie omgezet in elektriciteit. Zo kan de brandstofcel energie leveren in de vorm van stroom. De stroom kan dan bijvoorbeeld een motor aandrijven.


De brandstofcel kan dus energie leveren. Het is echter geen energiebron. Dat komt doordat er brandstof nodig is voor de brandstofcel om omgezet te worden in leverbare energie. De brandstofcel is dus een middel om brandstof om te zetten in energie. In het geval van de waterstof-zuurstof-brandstofcel is waterstof de brandstof. Deze waterstof komt echter niet in de natuur voor in de vorm waarin het direct als brandstof gebruikt kan worden. Daarom moet er een productie van de juiste vorm van waterstof plaatsvinden vóórdat de brandstofcel goed gebruikt kan worden.


Elektrolyse

Dat kan met elektrolyse van water. Elektrolyse is een reactie waarbij water wordt gescheiden in zuurstof en waterstof. Daar is natuurlijk, zoals voor elke reactie, wel weer energie voor nodig. Voor het gebruik van waterstof als energiedrager, moet de productie van waterstof ook duurzaam zijn. Om te zorgen dat het gebruik van de brandstofcel zo duurzaam mogelijk blijft, kan deze energie om de elektrolyse te laten plaatsvinden dan bijvoorbeeld weer verkregen worden met zonnecellen. De infrastructuur ontbreekt op dit moment nog voor een echte waterstofeconomie.  


Samenvatting

Goed, hiermee zijn we bij de afsluiting van deze scheikunde samenvatting aangekomen. We hebben besproken dat de opslag van duurzame en hernieuwbare energie, zoals zonne-energie of wind-energie, lastig kan zijn. De energie die opgewekt wordt moet namelijk opgeslagen worden voor later gebruik. Dit kan door middel van een elektrochemische cel. Voorbeelden van elektrochemische cellen zijn batterijen, accu’s en brandstofcellen.