Polttokenno

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 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.

Erilaisia polttokennoja

Polttokennot voidaan luokitella polttoaineen tai elektrolyytin mukaan. Polttokennot voivat toimia muun muassa vedyllä, ammoniakilla, hiilellä, hiilimonoksidilla, metanolilla, etanolilla, propaanilla, butaanilla, maakaasulla, dieselillä, alumiinilla, magnesiumilla ja sinkillä.

Polttoaineena vety

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

Vedyn varastointi on ongelma, nesteheliumin lämpötilassa se on neste, mutta kaasuuntuu esim. huoneenlämpötilassa muodostaen esim. hapen kanssa räjähdysherkän kaasun. Kaasuna vety vie runsaasti tilaa. Vedyn nesteytys vie paljon energiaa, vetyä sisältävät metallihydridit ovat painavia ja vetyä varastoivat hiilinanoputket kokeiluasteella. Myös ammoniakkia tai hiilivetyjä voidaan käyttää vetyvarastona. Vedyn siirto palamistilaan säiliöstä vaatii joko nestemäisen tai kaasumaisen olotilan.

Polttoaineena hiilivety

Hiilivedyistä vety saadaan erotettua reformoinnilla, jolloin sivutuotteena syntyvä hiilimonoksidi voi huonontaa matalalämpöisten polttokennojen platinakatalysaattorin toimintaa. Esimerkiksi kiinteäoksidipolttokenno käyttää myös hiilimonoksidin polttoaineenaan.

Polttokennon ja sähkömoottorin yhdistelmällä saavutetaan ottomoottoria parempi hyötysuhde vaikka polttoaineen hiili jäisikin hyväksikäyttämättä. 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.

Polttoaineena hiili

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. Käytännössä päästään vain 80 %:n ja hiilivedyillä yhteiskäytössä vetypolttokennon kanssa 70 %:n hyötysuhteeseen.

Polttoaineena metalli

Metalli-ilma polttokennoissa hapettuvana materiaalina käytetään vaihdettavaa metallianodia, kuten sinkkiä.

Elektrolyytin mukaan luokittelu

• 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)

Lisäksi on olemassa

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

Historia

Polttokennon toimintaperiaatteen keksi saksalainen Christian Friedrich Schönbein vuonna 1838, mikä 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, jonka vuoksi häntä pidetään modernin polttokennon isänä. Ensimmäisen käytännöllisen polttokennon rakensi insinööri Francis Thomas Bacon vuonna 1959. 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.

Katso myös

• Vetytalous
• Polttokennoauto
• Alkoholipolttokenno

Aiheesta muualla

• Fuel Cell Today, polttokennoihin erikoistunut englanninkielinen portaali
• Hydrocell, suomalainen alan yritys

Energiantuotanto

Käsitteitä:	Energiansäästö - Hajautettu tuotanto - Kaukolämpö - Lämmöntuotanto - Sähköntuotanto - Säätövoima - Varavoima - Lämpöenergian varastointi - Energian varastointi
Uusiutumaton energia:	Fossiilinen: Hiilivoima - Maakaasuvoima -Maaöljy Muut: Turvevoima - Ydinvoima
Uusiutuva energia:	Aurinkoenergia - Biomassa - Geoterminen - Tuulivoima - Vesivoima