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.

Historia 

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. 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.

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, 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.

Polttoaineena hiilivety 
Hiilivedyistä vety saadaan erotettua reformoinnilla, jolloin sivutuotteena syntyvä hiilimonoksidi voi huonontaa matalalämpöisten polttokennojen platinakatalysaattorin toimintaa. Esimerkiksi kiinteäoksidipolttokenno käyttää myös hiilimonoksidia 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 hyötysuhteeseen ja hiilivedyillä yhteiskäytössä vetypolttokennon kanssa 70 %:n hyötysuhteeseen.

Polttoaineena metalli 
Metalli-ilmapolttokennoissa 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)

Sovelluksia 
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.
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.

Katso myös 
 Vetytalous
 Polttokennoauto
 Alkoholipolttokenno

Lähteet

Aiheesta muualla 

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

Polttokennot
Sähkötekniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit