Wat is waterstof?
Brandstofcellen werken (oa) op waterstof. Het eenvoudigste en meest voorkomende element in het universum. Meer dan 90% van de atomen in het heelal zijn waterstofatomen, ze vormen meer dan 75% van de atomaire massa in het universum.
Waterstof is een chemisch element met symbool H (Latijn: Hydrogenium) en atoomnummer 1 (Het atoomnummer geeft het aantal protonen in de kern van een atoom aan). Het element komt als dusdanig, bij normale omstandigheden, niet in geïsoleerde vorm voor, maar vormt door de hoge reactiviteit verbindingen. Onder atmosferische omstandigheden vormt waterstof een twee-atomige molecule (= diwaterstof), dat meestal gewoon als waterstof of waterstofgas (H2), aangeduid wordt. Waterstof kan samen met zuurstof water vormen, H2O. Hierbij komt veel energie vrij. Waterstof is bijgevolg geen energiebron, maar een energiedrager.
Waterstof kan ook veel verschillende verbindingen met koolstof aangaan. Dergelijke verbindingen worden koolwaterstoffen genoemd, en is een klasse van de organische verbindingen.
Waterstofgas is het lichtste gas en heeft bij atmosferische druk een kookpunt van slechts -252 °C en een smeltpunt van -258 °C. De dichtheid bedraagt slechts 0,08988 gram/liter (ter vergelijking: dichtheid water: 1000 gram/liter), en toch heeft het de hoogste energie inhoud per gewichtsverhouding.
Energie-inhoud gasvormig waterstofgas: 120 MegaJoule/kg (onderste verbrandingswaarde)
147 MegaJoule/kg (bovenste verbrandingswaarde)
Energie-inhoud benzine: 46 MegaJoule/kg
Energie-inhoud methaan (aardgas): 50 MegaJoule/kg
Eigenschappen van waterstof
Waterstof (H2) is het ‘eerste’ element van het periodieke systeem en daardoor het eenvoudigste chemisch element. Het is in normale omgevingscondities een kleurloos, reukloos, niet-corrosief, niet-oxiderend, niet-radioactief, niet-kankerverwekkend en niet-toxisch gas met volgende eigenschappen.
| Eigenschappen | Waterstof | Opmerkingen |
| Dichtheid gasvormig H2 (0 °C, 1 atm) | 0,090 kg/Nm³ | 14 maal lichter dan lucht |
| Kookpunt (1 atm) | - 252 °C (20 K) | methaan: -161 °C (112 K) |
| Dichtheid vloeibare H2 | 70,8 g/l | benzine: 720 g/l |
| Energie-inhoud gasvormige H2 (OVW)* | 120 MJ/kg | methaan: 50 MJ/kg |
| (0 °C, 1 atm) | 33,33 kWh/kg | |
| 10,8 MJ/Nm³ | methaan: 36 MJ/Nm³ | |
| 3 kWh/Nm³ | ||
| Energie-inhoud vloeibare H2 (OVW)* | 8,5 MJ/l | benzine: 33 MJ/l |
| 120 MJ/kg | benzine: 46 MJ/kg | |
| 2,36 kWh/l | ||
| Ontvlambaarheidgrenzen in lucht (25 °C, 1 atm) | 4 – 75 vol % | methaan: 5,3 – 15,0 vol % |
| Detonatiegrenzen in lucht (25 °C, 1 atm) | 15 – 59 vol % | methaan: 6,3 vol % - 13,5 vol % |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 585 °C | methaan: 540 °C |
| Ontstekingsenergie | 0,02 mJ | methaan: 0,29 mJ |
* OVW: onderste verbrandingswaarde
Waterstof is een erg licht gas dat ongeveer 14 maal lichter is dan lucht. Dit heeft als voordeel dat het gas bij vrijkomen zeer snel stijgt, wat voordelen heeft op vlak van veiligheid. De problematiek van LPG, dat in gasvorm zwaarder is dan lucht waardoor het gas tegen de grond blijft hangen, is daarom bij H2 niet aanwezig. De dichtheid van vloeibare waterstof (71 g/l) is 10 keer lager dan de dichtheid van benzine (720 g/l).
Het kookpunt van waterstof ligt erg laag: -252 °C of 20 K. Dit betekent dat om waterstof in vloeibare vorm te krijgen, erg veel energie nodig is, en dat het ‘vloeibaar’ houden van waterstof een aantal technische maatregelen vereist. Ook voor aardgas ligt het kookpunt tamelijk laag (-161 °C), maar dit ligt toch circa 90 graden boven dat van waterstof.
Waterstof met een lage dichtheid heeft een hoge energie-inhoud uitgedrukt in MJ/kg (Mega Joule per kilogram).
Voor waterstofgas is dit 120 MJ/kg. Ter vergelijking voor methaan: 50 MJ/kg, of benzine: 46 MJ/kg.
Anders gezegd: 1 kg waterstof bevat evenveel energie als 2,4 kg methaan of 2,6 kg benzine.
Als de energie-inhoud wordt bekeken in functie van het volume, dus uitgedrukt in MJ/Nm3, dan is de specifieke energie-inhoud van waterstof relatief laag, 10,8 MJ/Nm3; methaan levert 35,9 MJ/Nm3.
Waterstof heeft de reputatie een erg gevaarlijk gas te zijn in vergelijking met bijvoorbeeld aardgas (methaan); de volgende cijfers geven enig inzicht in deze problematiek.
De grenswaarden waartussen een mengsel van waterstof en lucht ontvlambaar is, bestrijken een erg groot gebied: van 4 tot 75 vol %.
Het ontvlambare gebied bij methaan is veel kleiner: 4,4 tot 17,0 vol %.
Bovendien is de benodigde ontstekingsenergie bij waterstof (0,02 mJ) 10 keer kleiner dan bij methaan (0,29 mJ). Deze combinatie van lage ontstekingsenergie en een breed ontvlambaar gebied resulteert in een aantal specifieke eisen bij de selectie van elektrische en mechanische componenten in installaties waarin waterstof wordt gebruikt (ATEX-voorschriften in verband met explosieveilig materiaal).
Anderzijds is de temperatuur nodig voor een spontane zelfontbranding van een waterstof/luchtmengsel zeer hoog: 585 °C.
Bij ontbranding van zuivere waterstof is de vaalblauwe vlam bijna niet zichtbaar. Door verbranding van omgevende materialen en roetvorming wordt de vlam zichtbaar. Een waterstofvlam heeft een relatief lage IR-straling.