Als het om nieuwe energiebronnen gaat, zijn windenergie, waterkracht, zonne-energie en kernenergie allemaal bekend, en de meeste daarvan zijn lievelingen van de kapitaalmarkt. Waterstof, als even belangrijke concurrent, is echter relatief onbekend gebleven en heeft geen sterke zichtbaarheid. Toch veranderen de tijden. De Shanghai Import Expo van november 2021 doorbrak dit inherente patroon. Het Japanse Toyota presenteerde voor het eerst in China de Mirai-personenauto op waterstofbrandstofcel van de tweede generatie. Hij beschikt over een maximaal bereik van 850 kilometer, waarmee hij in één slag de meeste nieuwe energievoertuigen op lithiumenergie overtreft.
Tegenwoordig worden de zogenaamde "voertuig op waterstof" verwijst specifiek naar auto's met waterstofbrandstofcellen. In tegenstelling tot lithium-ionbatterijen zijn waterstofbrandstofcellen echter in wezen apparaten die elektrische energie opwekken door een chemische reactie tussen waterstof en zuurstof. Het uiteindelijke bijproduct van deze chemische reactie is uitsluitend water, in tegenstelling tot conventionele brandstof voertuigen die stoffen uitstoten zoals koolstofoxiden, stikstofoxiden en zwaveloxiden. Daarom wordt waterstof beschouwd als een energiebron die in staat is om "nul-emissies" te bereiken.
In waterstofbrandstofcellen speelt titanium een cruciale rol.Van titanium gemaakte bipolaire platen in waterstofbrandstofcellen hebben een dunne dikte, uitstekende geleidbaarheid, goede thermische eigenschappen, hoge mechanische sterkte en efficiënte gasisolatie. Deze kenmerken helpen bij het verbeteren van de vermogensdichtheid van de cel. De Japanse Toyota MIRAI-brandstofcelauto maakt gebruik van bipolaire platen van titanium. Bovendien maakt de gasdiffusielaag (GDL of PTL), die 17% van de kosten van de elektrolyseur uitmaakt, gebruik van hoogwaardig titanium van industriële kwaliteit als anodebasismateriaal, waardoor maximale activiteit kan worden bereikt.
Het fundamentele werkingsprincipe van waterstofbrandstofcellen houdt in dat waterstof door de katalysator (platina) gaat bij de positieve elektrode van de cel, waar het ontleedt in elektronen en waterstofionen. De waterstofionen bewegen zich vervolgens door een protonenuitwisselingsmembraan om de negatieve elektrode te bereiken, waar ze reageren met zuurstof om water en warmte te vormen. Tegelijkertijd stromen elektronen van de positieve elektrode via een extern circuit naar de negatieve elektrode, waardoor elektrische energie wordt gegenereerd.
Simpel gezegd combineren waterstof en zuurstof in de brandstofcel, waardoor elektriciteit en water worden geproduceerd. De elektriciteit drijft het voertuig aan, terwijl water het enige bijproduct is dat uit het voertuig wordt verdreven.
Vanuit dit werkingsprincipe zijn de aanzienlijke voordelen van waterstofbrandstofcellen drieledig:
Ten eerste, netheid: Het enige bijproduct is water, waardoor de uitstoot van kooldioxide wordt vermeden.
Ten tweede, veiligheid:Het elektrochemische proces dat waterstofbrandstofcellen aandrijft, beperkt de risico's van zelfontbranding of explosies, in tegenstelling tot op verbranding gebaseerde systemen.
Ten derde, gemak: Hwaterstofgas kan worden gecomprimeerd, waardoor het transport en de opslag ervan worden vergemakkelijkt.
Het is belangrijk op te merken dat de brandstofcel in voertuigen op waterstof verschilt van de conventionele chemische batterijen. Een brandstofcel faciliteert een elektrochemische reactie tussen waterstof en zuurstof zonder verbranding, waarbij water als bijproduct wordt geproduceerd en elektrische energie vrijkomt.
De elektrische energie in voertuigen met waterstofbrandstofcellen wordt onmiddellijk gegenereerd door de reactie tussen opgeslagen waterstof en zuurstof uit de lucht in de brandstofcelstapel, in tegenstelling tot elektrische voertuigen die energie van een extern elektriciteitsnet opslaan voordat ze deze gebruiken. Daarom lijkt hun energievrijgaveproces, ondanks de naam 'brandstofcel' in waterstofvoertuigen, meer op verbrandingsmotoren (die benzine laten reageren met externe zuurstof) dan op het energieopslagproces in elektrische voertuigen.
Net als bij voertuigen met een verbrandingsmotor is het duurste onderdeel van een waterstof-brandstofcelvoertuig het apparaat voor energieopwekking en niet het apparaat voor energieopslag (bij elektrische voertuigen is het duurste onderdeel bijvoorbeeld de accu, en binnen de accu is dat het de anode, kathode en elektrolyt). Concreet gaat het om de brandstofcelstapel en niet om de waterstofopslagtank.
Vanwege de relatief hoge kosten van waterstofbrandstofcelsystemen, vooral de brandstofcelstapel, zijn de productiekosten voor waterstofvoertuigen in de huidige fase hoger dan die van puur elektrische voertuigen en traditionele voertuigen met verbrandingsmotoren. Deze kostenfactor blijft een belangrijke beperking in de ontwikkeling van de waterstofbrandstofcelvoertuigenindustrie.
