Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een manier gevonden om de waterstofproductie in een elektrolysecel te verdubbelen, zonder dat daarvoor meer elektriciteit nodig is. De doorbraak zit niet in een compleet nieuw productieproces, maar in een slimme combinatie van materialen. Daarmee kan de productie van groene waterstof mogelijk een stuk efficiënter worden.
Waterstof speelt een belangrijke rol in de verduurzaming van de chemische industrie en staalproductie. Het gas wordt momenteel echter nog grotendeels geproduceerd uit fossiele brandstoffen. Groene waterstof, gemaakt met duurzame elektriciteit, is een schoner alternatief, maar de productiekosten zijn hoog.
Onderzoekers onder leiding van Vasileios Kyriakou hebben nu aangetoond dat bestaande elektrolysetechnologie aanzienlijk beter kan presteren wanneer de materialen in de cel nauwkeurig op elkaar worden afgestemd.
Waterstof maken met hete stoom
Het onderzoek richt zich op een zogenoemde protonkeramische elektrolysecel, internationaal bekend als PCEC. Anders dan veel gangbare elektrolysers, die vloeibaar water gebruiken, werkt deze technologie met waterdamp bij temperaturen van ongeveer 400 tot 650 graden Celsius.
Dat biedt voordelen voor industriële toepassingen, waar vaak al hoge temperaturen beschikbaar zijn. Een deel van de benodigde energie kan dan als warmte worden aangevoerd, waardoor minder elektrische energie nodig kan zijn.
In de elektrolysecel wordt waterdamp gesplitst. De gevormde protonen, positief geladen waterstofdeeltjes, bewegen door een keramisch membraan naar de andere kant van de cel. Daar nemen ze elektronen op en vormen ze waterstofgas. Het membraan zorgt ervoor dat de geproduceerde waterstof gescheiden blijft van de zuurstof. De efficiëntie van dit proces hangt sterk af van de materialen die de reacties aan de elektroden mogelijk maken.
Nanodeeltjes maken het verschil
De Groningse onderzoekers ontwikkelden een nieuw elektrodemateriaal waarin piepkleine deeltjes praseodymiumoxide een belangrijke rol spelen. Praseodymium is een zeldzaam aardmetaal dat onder meer wordt gebruikt in magneten en speciale materialen. De nanodeeltjes ontstaan door interacties tussen de elektrode en het keramische membraan. Juist die wisselwerking bleek veel belangrijker dan eerder werd aangenomen.
Door de samenstelling van beide materialen op elkaar af te stemmen, konden de onderzoekers de elektrochemische prestaties van de cel verdubbelen ten opzichte van de oorspronkelijke uitvoering. Volgens de Rijksuniversiteit Groningen betekent dit dat bij hetzelfde elektriciteitsverbruik twee keer zoveel waterstof kan worden geproduceerd onder de onderzochte omstandigheden.
Ook de stabiliteit is veelbelovend. De verbeterde elektrolysecel bleef tijdens laboratoriumproeven meer dan 500 uur functioneren. De onderzoekers rapporteerden bovendien een faradische efficiëntie van meer dan 95 procent, wat betekent dat vrijwel alle elektrische lading bijdroeg aan de gewenste waterstofreactie.
Van laboratorium naar industrie
De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Energy & Environmental Science. Hoewel het onderzoek laat zien dat protonkeramische elektrolyse efficiënter kan worden, is commerciële toepassing nog niet direct mogelijk. Voor industriële installaties moeten onder meer de levensduur, productiekosten en prestaties op grotere schaal verder worden onderzocht. Daarbij telt ook hoeveel energie nodig is om de waterdamp te verhitten.
Vooral bedrijven die al met hete processtromen werken, zouden uiteindelijk voordeel kunnen halen uit deze technologie. Door warmte en elektrolyse te combineren, kan de elektrische energiebehoefte voor waterstofproductie mogelijk verder omlaag.
