Polttokenno

Wikipedia

Polttokennon yleisperiaate:
- Polttoaine hapettuu anodilla, eli luovuttaa elektronin.
- Positiivinen ioni kulkeutuu elektrolyytin läpi katodille tai negatiivinen ioni anodille.
- Elektronit kulkeutuvat ulkoista piiriä pitkin katodille (sähkövirta).
- Hapetin pelkistyy katodilla, eli saa elektronin.

Nasan valmistama metanolilla toimiva polttokenno

Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, joihin kuluvia reaktioaineita syötetään laitteen ulkopuolelta, näin voidaan tuottaa pitkäaikaisesti sähköä. 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 esim. 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]

[muokkaa] Erilaisia polttokennoja

Polttokennot voidaan luokitella polttoaineen tai elektrolyytin mukaan.

[muokkaa] Polttoaineen mukaan luokittelu

Polttokennot voivat toimia mm. vedyllä, ammoniakilla, hiilellä, hiilimonoksidilla, metanolilla, etanolilla, propaanilla, butaanilla, maakaasulla, dieselillä, alumiinilla, magnesiumilla ja sinkillä.^[2] ^[3]

Vedyllä toimivista polttokennoista vapautuu energian lisäksi lämpöä ja puhdasta vettä. Koska vetyä ei esiinny maapallolla vapaana, niin se on aina irrotettava jostakin. Vety on siis sekundäärinen energian lähde. Vedyn varastointi on ongelma. Painekaasu vie tilaa, nesteytys energiaa, metallihydridit ovat painavia ja hiilinanoputket kokeiluasteella. Myös ammoniakkia tai hiilivetyjä voidaan käyttää vetyvarastona. Hiilivedyistä vety saadaan reformoinnilla, jolloin sivutuotteena syntyvä hiilimonoksidi voi huonontaa matalalämpöisten polttokennojen platinakatalysaattorin toimintaa, mutta esimerkiksi kiinteäoksidipolttokenno käyttää myös sen polttoaineenaan.^[4] Polttokennon ja sähkömoottorin yhdistelmällä saavutetaan ottomoottoria parempi hyötysuhde vaikka polttoaineen hiili jäisikin hyväksikäyttämättä.^[5] Vetypolttokennojen sähköinen hyötysuhde on yleensä n. 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.^[6] Käytännössä päästään vain 80%:n ja hiilivedyillä yhteiskäytössä vetypolttokennon kanssa 70%:n hyötysuhteeseen.^[7]

Metalli-ilma polttokennoissa hapettuvana materiaalina käytetään vaihdettavaa metallianodia, kuten sinkkiä. ^[8]

[muokkaa] Elektrolyytin mukaan luokittelu

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

[muokkaa] Lisäksi on olemassa

biopolttokenno
Reversiibelipolttokenno RFC (Reversible Fuel Cell)

[muokkaa] Historia

Polttokennon toimintaperiaatteen keksi saksalainen tiedemies Christian Friedrich Schönbein 1838, mikä julkaistiin "Philosophical Magazine" lehdessä 1839. Myös brittikemisti Sir William Grove julkaisi samana vuonna "Philosophical Magazine" lehdessä polttokennon toimintaperiaatteen. Grove julkisti yksityiskohtaisen kuvauksen polttokennosta vuonna 1842, häntä pidetään modernin polttokennon isänä.^[9] Ensimmäisen käytännöllisen polttokennon rakensi insinööri Francis Thomas Bacon 1959.^[10] Polttokennojen käyttökohteet ovat laajat, matkapuhelimista ja autoista aina sähkön ja lämmöntuottoon asuinrakennuksille tai jopa laivoille. Polttokennojen laajemman käytön esteenä ovat olleet tuotantokustannukset sekä polttokennoissa käytettävien polttoaineiden jakeluverkkojen puuttuminen.