Polttokenno

Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, joihin syötetään reaktioaineita laitteen ulkopuolelta ja näin voidaan tuottaa sähköä pitkäaikaisesti. Ne korvaavat yleensä akkuja, joilla kaikki reaktioaineet ovat kotelon sisällä. Polttokennoa voidaan pitää myös sähkögeneraattorin korvaajana, mikäli polttoaineena käytetään primääriä polttoainetta. Lämpövoimakoneen maksimihyötysuhteen määräävä Carnot'n prosessi ei koske polttokennoa, joten sen sähköhyötysuhde on huomattavasti esimerkiksi dieselgeneraattoria korkeampi. Matalalämpöisten polttokennojen ongelmana on hapetusreaktioiden hitaus, mitä yritetään nopeuttaa katalyyteillä, kuten platinalla. Kallis platina pyritään vaihtamaan halvemmiksi nanomittakaavaisiksi katalyyteiksi. Korkealämpöiset polttokennot eivät välttämättä tarvitse katalyyttia tai niissä voidaan käyttää edullisia katalyyttejä, mutta termodynaaminen tehokkuus laskee lämpötilan noustessa.^[1]

Polttokennon toimintaperiaatteen keksi saksalainen Christian Friedrich Schönbein vuonna 1838, ja se julkaistiin ”Philosophical Magazine”-lehdessä vuonna 1839. Myös englantilainen Sir William Grove julkaisi vuonna 1839 ”Philosophical Magazine”-lehdessä polttokennon toimintaperiaatteen. Grove julkisti yksityiskohtaisen kuvauksen polttokennosta vuonna 1842, minkä vuoksi häntä pidetään modernin polttokennon isänä.^[2] Ensimmäisen käytännöllisen polttokennon rakensi insinööri Francis Thomas Bacon vuonna 1959.^[3] 1880-luvun lopulla Carl Langer ja Ludwig Mond kehittivät pitkäikäisemmän polttokennon. Avaruusaluksissa ja satelliiteissa tarvittiin tehokkaita ja vakaita energiajärjestelmiä 1950- ja 1960-luvuilla, jonka myötä polttokennoille avautui uusia käyttökohteita.^[4] NASA käytti Apollo-kuulennoilla polttokennoja miehitetyissä avaruusaluksissa. Sen jälkeen polttokenno vaikutti poistuvan energiatuotannon teknologioista. Uusi nousu alkoi 1990-luvun jälkipuolella. 2000-luvulla näkemys on, että polttokennojen käyttömahdollisuudet ovat laajat - matkapuhelimista ja autoista aina sähkön ja lämmöntuottoon asuinrakennuksille tai esim. laivoille. Polttokennojen laajan käytön esteenä ovat niiden kehitys- ja tuotantokustannukset sekä polttokennoissa käytettävien polttoaineiden jakeluverkkojen puuttuminen.

Polttokennon hyötysuhde voi olla 60 prosenttia, joka on parempi kuin polttomoottorilla, mutta polttokennon hyötysuhdetta voi edelleen parantaa hukkalämmön talteenoton kanssa.^[5][6][7] Fosforihappopolttokennon (PAFC) hyötysuhde on keskimäärin 40-50 prosenttia, mutta nousee noin 80 prosenttiin hukkalämmön hyödyntämisellä.^[8]

Polttokennot luokitella pääasiassa elektrolyytin mukaan.^[9] Polttokennot voidaan luokitella myös niiden käyttämän polttoaineen mukaan. Polttokennot voivat toimia muun muassa vedyllä, ammoniakilla, hiilellä, hiilimonoksidilla, metanolilla, etanolilla, propaanilla, butaanilla, maakaasulla, dieselillä, alumiinilla, magnesiumilla ja sinkillä.^[10][11]

• Fosforihappopolttokenno PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
• Sulakarbonaattipolttokenno MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
• Kiinteäoksidipolttokenno SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)
• Alkalipolttokenno AFC (Alkaline Fuel Cell)
• Protoninvaihtopolttokenno PEMFC (Proton Exhange Membrane Fuel Cell tai Polymer Electrolyte Fuel Cell)

Vedyllä toimivista polttokennoista vapautuu sähköenergian lisäksi lämpöä ja puhdasta vettä. Koska vetyä ei esiinny maapallolla vapaana, se on aina irrotettava jostakin molekyylistä. Vety on sekundäärinen energian lähde.

Vetyä on hankala varastoida, koska sen kiehumispiste on hyvin alhainen (-252,87 °C), eli sitä on käytännössä säilytettävä paineastiassa. Vety myös reagoi herkästi hapen ja halogeenien kanssa, ja esimerkiksi säiliöstään vuotanut vetykaasu voi räjähtää pienestäkin kipinästä.

Hiilivedyistä vety saadaan erotettua reformoinnilla, jolloin sivutuotteena syntyvä hiilimonoksidi voi huonontaa matalalämpöisten polttokennojen platinakatalysaattorin toimintaa. Esimerkiksi kiinteäoksidipolttokenno käyttää myös hiilimonoksidia polttoaineenaan.^[12]

Polttokennon ja sähkömoottorin yhdistelmällä saavutetaan ottomoottoria parempi hyötysuhde vaikka polttoaineen hiili jäisikin hyväksikäyttämättä.^[13] Vetypolttokennojen sähköinen hyötysuhde on yleensä noin 50 %, mutta kokonaishyötysuhde on nostettavissa yli 90 % mikäli polttokennon käytössä syntyvä lämpö hyödynnetään. Merkittävin ero perinteiseen akkuun on polttokennon helppo ja nopea lataus, sekä mahdollisesti pidempi toiminta-aika tasaisella virransyötöllä.

Melko varhaisessa kehitysvaiheessa olevat hiilipolttokennot ovat primäärisiä energian tuottajia. Entropiamuutos hiilen ja hiilidioksidin välillä on vähäinen, joten periaatteessa lähes kaikki kennossa vapautuva energia voidaan muuntaa sähköksi.^[14] Käytännössä päästään vain 80 %:n hyötysuhteeseen ja hiilivedyillä yhteiskäytössä vetypolttokennon kanssa 70 %:n hyötysuhteeseen.^[15]

Metalli-ilmapolttokennoissa hapettuvana materiaalina käytetään vaihdettavaa metallianodia, kuten sinkkiä.^[10]

• Biopolttokenno
• Mikrobiologinen polttokenno MFC (Microbial Fuel Cell)
• Reversiibelipolttokenno RFC (Reversible Fuel Cell)

Polttokennojen käyttö sähköntuottimina erilaisiin liikkuviin sovelluksiin on lisääntymässä niiden erittäin suuren energiatiheyden takia (450 Wh/kg - 700 Wh/kg), joka on jopa viisi kertaa enemmän kuin akkuteknologialla on saavutettavissa.^[16] Korkea hinta ja tarvittavan infrastruktuurin puute rajoittaa yleistymistä. On esitetty arvioita että 80-kW auton polttokennon kustannukset US 67 $/kW olisivat saavutettavissa 100 000 auton vuosittaisella valmistuksella.

• Vetytalous
• Polttokennoauto
• Alkoholipolttokenno

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Polttokenno.

• Mitä polttokennot ovat?
• Matias Halinen: Polttokennot, VTT, 2007 (pdf)
• Hydrocell, suomalainen alan yritys
• Fuel Cell Today, polttokennoihin erikoistunut englanninkielinen portaali (englanniksi)
• Carbon Fuel Cells: An Ultra-Low Emission Technology for Power Generation (englanniksi)