De namen van de verschillende soorten brandstofcellen zijn gebaseerd op het materiaal van het gebruikte elektrolyt (scheidingsmembraan). Als men kijkt naar de bedrijfstemperatuur kunnen brandstofcellen in twee groepen worden onderverdeeld:
Lage temperatuurbrandstofcellen:
AFC: Alkaline Fuel Cell (alkalische brandstofcel)
Elektrolytlaag: Kaliumhydroxide oplossing in water
Katalysator: Kan gebruik maken van allerlei metalen
Werkingstemperatuur: 60 à 240 ⁰C
Elektrische efficiëntie: 60 - 70 percent
NASA gebruikt sinds 1960 AFC’s voor hun ruimtemissies. Deze worden zowel aangewend om zowel elektriciteit als drinkwater te produceren. Het grote probleem bij AFC’s is dat ze gemakkelijk “vergiftigd” worden door een kleine hoeveelheid CO2. AFC’s worden ook gebruikt als warmtekrachtkoppelingen (WKK’s), zoals bijvoorbeeld bij Living Tomorrow.
DBFC: Direct Borohydride Fuel Cells
DMFC: Direct Methanol Fuel Cell (genoemd naar de brandstof ipv de elektrolytlaag)
Elektrolytlaag: polymeer ionengeleidend membraan;
Katalysator: Platinum is het meest gebruikt
Werkingstemperatuur: 50 à 120 ⁰C
Elektrische efficiëntie: 40 - 60 procent
DMFCs zijn gelijkaardig aan PEM brandstofcellen in het opzicht dat ze beide een polymeer membraan hebben.als elktrolytlaag. Het verschil is dat bij een DMFC de anode de rol als reformer op zich neemt en dus hierbij de waterstofionen rechtstreeks uit het vloeibare methanol haalt. De lage werkingstemperatuur van de DMFC zorgt ervoor dat deze ideaal is voor kleine toepassingen zoals in GSM’s, laptops, en batterijladers. Ook voor grotere toepassing zijn zij geschikt: in boten, op de camping, in caravans, etc.
FAFC: Formic Acid Fuel Cell
PEM: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (of ook Polymer Elektrolyte Membrane)
Elektrolytlaag: polymeer ionengeleidend membraan;
Katalysator: Platinum is het meest gebruikt
Werkingstemperatuur: 30 à 90 ⁰C
Elektrische efficiëntie: 40 - 60 procent
PEM brandstofcellen hebben een relatief lage werkingstemperatuur. Ze leveren in verhouding met hun grootte een hoog vermogen, en kunnen dit vermogen zonder problemen snel afstemmen volgens de vraag (lees: de aangesloten verbruikers). Hierdoor zijn ze uitermate geschikt in de automobielindustrie. PEM-units kunnen in vermogen variëren van enkele watts tot kilowatts. De grootste PEM energiecentrale de dag van vandaag heeft een vermogen van 1 megawatt.
Tegenwoordig worden PEM brandstofcellen gebruikt in de telecommunicatiesector als energiebackup, in proefprojecten in de automobielindustrie, en als energiebackup voor allerlei draagbare elektronische eindgebruikers. PEM brandstofcellen worden gevoed met waterstof, methanol of gereformeerde brandstoffen zoals aardgas, benzine, etc.
HT-PEM: Hoge temperatuur PEM
Deze brandstofcellen zijn gelijkaardig aan de gewone PEM brandstofcellen, maar ze werken bij een hogere temperatuur, namelijk 120 à 200 °C. HT-PEMs worden dikwijls geïntegreerd met reformers. Hierdoor kunnen ze meerdere brandstofsoorten verwerken. HT-PEMs kunnen aangewend worden in voertuigen om de batterijen bij te laden, maar ook in huizen en kleine kantoren.
ZAFC: Zinc Air Fuel Cells
ZAFC combineren zink pellets en lucht met een elektrolyt om elektriciteit op te wekken. In vergelijk met de klassieke loodbatterijen van een zelfde gewicht wekken ze beduidend veel meer elektriciteit op. ZAFC systemen hebben potentieel om gebruikt te worden in de transportsector.
MFC: Microbial Fuel Cell (biobrandstofcel)
Microbial Fuel Cells gebruiken de katalytische reactie van micro-organismen om organisch materiaal (glucose, afvalwater, etc.) om te zetten naar brandstof. Zelfs in zuurstofarme omgevingen kunnen bepaalde bacteriën en microben organisch materiaal omzetten. Als onderdeel van het verteringsproces worden elektronen aan de brandstof onttrokken dmv anorganische chemicaliën.
Omwille van de bacteriële activiteiten hebben MFC’s een werkingstemperatuur tussen 20 en 40°C. De efficiëntie van deze brandstofcellen ligt rond 50%
Hoge temperatuurbrandstofcellen:
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforzuur brandstofcel)
Elektrolytlaag: Vloeibaar fosforzuur in een Lihtiumoxide structuurmatrix
Katalysator: Koolstof / platinium
Werkingstemperatuur: 175 à 205 ⁰C
Elektrische efficiëntie: 36 - 42 procent
PAFCs can operate using reformed hydrocarbon fuels or biogas. Anode and cathode reactions are similar to PEMs, but since operating temperatures are higher, PAFCs are more tolerant of fuel impurities. PAFCs are frequently used in a cogeneration mode, in which byproduct heat is captured for onsite heating, cooling, and hot water (also called combined heat and power, or CHP). PAFCs are commercially available today with systems operating around the world at high-energy demand sites such as hospitals, schools, office buildings, grocery stores, manufacturing or processing centers, and wastewater treatment plants. PAFC’s worden momenteel al toegepast als WKK met een vermogen tot 200kW.
PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell (gesmolten carbonaatbrandstofcel)
Elektrolytlaag: Na- en K-carbonaten in een keramische matrix van LiAlO2
Katalysator: dankzij hogere temperaturen kan men goedkopere katalysatoren gebruiken ipv platinium
Werkingstemperatuur: rond 650 ⁰C
Elektrische efficiëntie: 50 - 60 procent
Dankzij de hoge werkingstemperatuur van deze brandstofcel heeft zij als voordeel dat zij direct de klassieke brandstoffen zoals aardgas kan verwerken. Door middel van interne reforming kunnen complexe organische brandstoffen ontbonden worden tot waterstofrijke brandstof. Deze brandstofcellen moeten gevoed worden met waterstof en koolstofdioxide. De basis grondstoffen die uit organische brandstoffen kunnen gehaald worden. MCFCs zijn ideaal van toepassing in oa hotels, ziekenhuizen, gevangenissen, scholen, etc.
SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (vaste-oxidebrandstofcel)
Elektrolytlaag: keramisch materiaal, yttrium-gestabiliseerd zirconium (YSZ)
Katalysator: Door de hoge temperaturen kunnen katalysatoren gebruikt worden die minder duur zijn, ipv platinium.
Werkingstemperatuur: 500 à 1000 °C
Elektrische efficiëntie: 50-60 percent
Door de hogere temperaturen zijn SOFCs in staat om zelf als reformer te fungeren. Hierdoor kunnen lichtere koolwaterstoffen, zoals aardagas rechtstreeks aangevoerd worden. Voor de zwaardere koolwaterstoffen zoals mazout dient wel een externe reformer gebruikt te worden.
Er zijn 2 opstellingen mogelijk. Eén type maakt gebruik van lange buizen, terwijl de andere bestaat uit op elkaar geperste schijven. Het buizensysteem is zo goed als commercialiseerbaar en worden geproduceerd door diverse bedrijven. Op dit ogenblik worden zij in een testfase al toegepast in datacenters, kantoorgebouwen, huizen en appartementen in de VS, Japan en Duitsland. SOFC’s worden toegepast als WKK’s. Hun vermogen kan variëren van enkele kilowatts tot enkele megawatts. Zij zijn ideaal geschikt als elektriciteitscentrale.
Andere type brandstofcellen:
Water fuel cell: motor die zou werken met water als brandstof - nooit met succes (na)gemaakt.
RFC: Regenerative Fuel Cells
Deze brandstofcellen vormen een gesloten kring met betrekking tot hun energie. Water wordt ontbonden in waterstof en zuurstof dmv een elektrolysetoestel dat werkt op zonne-energie. Het waterstof wordt aangevoerd in een brandstofcel waar elektricieit, warmte en waterdamp wordt geproduceerd. Het bijproduct “water” wordt terug gevoerd naar het elektrolysetoestel waarbij het proces terug opnieuw begint. PEM en SOFC regeneratieve brandstofcelsystemen zijn momenteel in ontwikkeling.
Sinds begin van de jaren ’90 is het onderzoek naar brandstofcel- en waterstoftechnologie sterk geïntensifieerd en is het accent van de wetenschappelijke onderzoekswereld verhuisd naar de industriële R&D. Dit uit zich onder andere in de realisatie van een aantal prototypes op de verschillende toepassingsdomeinen die geïllustreerd worden in een aantal meer grootschalige demonstratieprojecten.
Behalve de temperatuurverschillen is er ook een duidelijk verschil in de aan te bieden reagentia. Bij alkalische brandstofcellen dient de toegevoerde lucht ontdaan te worden van CO2, wat tegenwoordig technisch mogelijk is.
De PEM- en PAFC-brandstofcelsystemen vereisen zeer zuivere waterstof aan de anode. Vooral bij de PEM-brandstofcel op lage temperatuur is de aanwezigheid van enkele ppm CO in de waterstofstroom erg nadelig voor de levensduur van de anode; de kathodezijde kan eenvoudigweg gevoed worden met omgevingslucht.
In de hoge temperatuurbrandstofcellen (MCFC en SOFC) is de verlenging van de levensduur van de celstapelingen tot minstens 90 000 uur (circa 10 jaar) een van de grootste technische uitdagingen.
Anno 2010 is het grootste nadeel van de toepassing van waterstof gelegen in de kosten. Toen NASA voor het eerst een brandstofcel toepaste, kostte een kilowattuur (kWh) ruim 58 euro. In 2000 waren de kosten al teruggelopen tot zo'n 0,10 euro per kWh. Anno 2006 zijn de kosten vooral afhankelijk van de afstand waarover waterstof moet worden aangevoerd. In de chemische industrie ontstaat waterstof als bijproduct in de procesreactie. Her en der zijn er al bedrijven die proef-elektriciteitscentrales bouwen, al dan niet medegefinancierd door overheidsinstanties.
Afhankelijk van de brandstof hebben veel brandstofcellen schone afvalproducten, bijvoorbeeld puur water, die het milieu niet belasten. Dit voordeel wordt veelal echter tenietgedaan als de gebruikte brandstoffen uit, of met gebruik van bestaande niet-schone energiedragers (aardgas, kolen), moeten worden gewonnen waarbij wel milieubelasting optreedt. Het zou daarom wenselijk zijn om de brandstof uit een schone bron te betrekken, bijvoorbeeld door met zonne-energie of waterkracht water te splitsen in waterstof en zuurstof.
Er is al veel onderzoeks- en ontwikkelingswerk gedaan om op deze manier een schone, zogeheten waterstofeconomie te verwezenlijken; de techniek is zover, de brandstofcellen zijn voldoende ontwikkeld voor bijvoorbeeld toepassing in auto's. Het probleem ligt nu in de distributie van waterstof, zoals de introductie van voldoende tankstations en uitwisselbare (hervulbare) tanks.
R&D-bedrijven slagen er rond 2010 in de kostprijs van brandstofcellen elk jaar ongeveer te halveren. Anno 2006 kwamen toepassinggebieden als stadsbussen, binnenvaartschepen en intern transport in beeld als rendabele toepassing. In 2010 verschenen de eerste brandstofcelsystemen die qua prijs en vermogen de concurrentie aankonden met de hedendaagse verbrandingsmotor. De levensduur is dan nog wel een onzekere factor. Autofabrikant Toyota kondigde in 2012 een productiemodel met brandstofcel aan voor 2015. Hyundai heeft de ix35 fuel cell ontwikkeld die eind 2012 in beperkte oplage op de Europese markt geïntroduceerd werd.
