Polttokennoauto

Polttokennoauto (, FCEV) on auto, joka saa energiansa polttokennolla tuotettavasta sähköstä. Polttokennoauto on samankaltainen kuin sähköauto, mutta energia säilötään kaasuna tankkiin. Akkukäyttöiseen sähköautoon verrattuna polttokennoauton eduksi sanotaan alhaisemmat kustannukset 12 vuoden elinkaaren aikana.

Polttokenno tuottaa sähköä yleensä vedystä ja hapesta. Vety voidaan valmistaa sähkön avulla vedestä, mutta suurin osa teollisesta vedystä valmistetaan nykyisin reformoimalla maakaasusta tai muista hiilivedyistä. Autossa vety säilötään tankkeihin ja happi saadaan ilmasta. Kennon tuottama sähkö varastoidaan akkuihin, joita voidaan ladata myös jarrutuksen aikana. Akusta (tai vaihtoehtoisesti suoraan polttokennosta) sähkö johdetaan sähkömoottoriin (sarjahybridi; sähköä tuotetaan jollain voimanlähteellä, josta se siirretään sähkömoottoriin. Sarjahybridi-termiä käytetään lähinnä niistä autonmoottoreista, joissa sähkö tuotetaan polttomoottorilla, kun taas vetypolttokennoa käyttäviä nimitetään yleensä vetyhybrideiksi). 

Autoissa voidaan käyttää myös rinnakkain polttomoottoria ja polttokennoa. Tällöin kyseessä on hybridi, jossa on kaksi voimanlähdettä (polttomoottori ja polttokenno). Koska hybridin toinen voimansiirtomenetelmä perustuu sähköön, on sähkön varastointi yleistä. Sähköä voidaan ladata sähköverkosta, jolloin puhutaan lataushybridistä. Tällöin auto kulkee osin akuilla, osin toisella voimanlähteellä, joka voi olla esimerkiksi polttokenno tai ottomoottori. 

Polttokennon energialähteeksi käyvät kaasu, vety tai metaani, alkoholi, kuten metanoli tai etanoli. Polttokenno tuottaa lämpöä, jolloin sitä voi käyttää matkustamon ja ajoneuvon lämmittämiseen. Polttokenno käy suhteellisen puhtaasti, ja lopputuotteina on usein hiilidioksidia ja vesihöyryä. Diesel-hybridejä on kokeiltu pyöräkuormaajissa ja kuorma-autoissa. Volvolla on jakeluautona kokeiltu hybridikuorma-autoa.

Polttokenno toimii jopa -30 asteen pakkasessa. Vedyn varastointi autossa on toteutettu komposiittisäiliöillä. Tankkaus vie aikaa kutakuinkin saman verran kuin polttomoottoriauton tankkaaminen.

Polttokennoautojen historiaa
Humphry Davy esitteli polttokennon konseptin ensimmäisen kerran vuonna 1801, mutta ensimmäisen toimivan polttokennon keksijä oli kemisti, lakimies ja fyysikko William Grove. Groven kokeet osoittivat vuonna 1842, että sähkövirta voitiin tuottaa sähkökemiallisella reaktiolla vedyn ja hapen välillä platinakatalyytin päällä. Englantilainen insinööri Francis Thomas Bacon laajensi Groven työtä luomalla ja esittelemällä erilaisia ​​alkalisia polttokennoja vuosina 1939–1959.

Ensimmäinen moderni polttokennoajoneuvo oli muunneltu Allis-Chalmers-maataloustraktori, joka oli varustettu 15 kilowatin polttokennolla noin vuonna 1959.Wand, George. “Fuel Cell History, Part 2” . “Fuel Cell Today”, April 2006, accessed August 2, 2011

Kylmän sodan avaruuskilpailu johti polttokennoteknologian jatkokehitykseen. Project Gemini testasi polttokennoja sähkövoiman tuottamiseksi miehistön avaruuslentojen aikana.“PEM Fuel Cells”. “Smithsonian Institution”, 2004, accessed August 2, 2011Dumoulin, Jim. “Gemini-V Information”. NASA - Kennedy Space Center, August 25, 2000, accessed August 2, 2011

Polttokennokehitys jatkui Apollo-ohjelmalla. Apollo-kapseleiden ja kuumoduulien sähköjärjestelmät käyttivät alkalipolttokennoja. General Motors kehitti vuonna 1966 ensimmäisen polttokennoauton, Chevrolet Electrovanin. Siinä oli PEM-polttokenno, toimintasäde oli 120 mailia ja huippunopeus 70 km/h. Istuimia oli vain kaksi, koska polttokennopino ja suuret vety- ja happisäiliöt veivät pakettiauton takaosan. Vain yksi rakennettiin, koska hanke katsottiin kustannuksiltaan estäväksi.“Hydrogen Storage Technology for the Hydrogen Economy” . “Iljin Composite”, KCR, Korea, accessed August 2, 2011

General Electric ja muut jatkoivat PEM-polttokennojen kehittämistä 1970-luvulla. Polttokennopinot rajoittuivat vielä 1980-luvulla pääasiassa avaruussovelluksiin, mukaan lukien avaruussukkula.

Apollo avaruuslento-ohjelman sulkeminen vapautti monia alan asiantuntijoita yksityissektorille. 1990-luvulla autonvalmistajat olivat kiinnostuneita polttokennosovelluksista ja erilaisia konseptiautoja valmistettiin. Vuonna 2001 esiteltiin ensimmäiset 700 barin vetysäiliöt, jotka pienensivät ajoneuvoissa käytettävien polttoainesäiliöiden kokoa ja laajensivat toimintasäteitä.

 Vedyn tuotanto ja jakelu 
Vedyn valmistus vedestä elektrolyysissä tapahtuu 60–70 %:n hyötysuhteella. Ennen kuin vety voidaan ladata autojen tankkeihin, se joudutaan paineistamaan kompressorilla, joka myös kuluttaa energiaa. Vedyn valmistaminen sähköllä on mahdollista jakeluasemilla tai jopa kuluttajien luona ja tämä on todennäköisempi vedyntuotantotapa kuin vedyn kuljettaminen tankkiautoilla tai pumppaaminen putkistoissa. Nesteenä vety vaatii noin kolminkertaisen tankkivolyymin bensiiniin verrattuna ja vastaavasti kolminkertaisen jakelukaluston.  
Vetytalouden laskelmia. Web Archive 2009 (Methanol.org). PDF. Viitattu 18.7.2021.

Erityisesti Saksassa, Hollannissa ja Belgiassa on laaja vedyn jakeluverkosto. Suomessa ei ole yhtäkään vedyn jakeluasemaa vuonna 2021.
BMW:n vetyautojen varatoimitusjohtaja Michael Rath on sanonut, että Eurooppa tarvitsee vetytankkausasemien verkoston, jossa asemia on 200 kilometrin välein. Tämä olisi 400 asemaa vuoteen 2030 mennessä. Vastaavia ohjelmia on käynnissä Japanissa, Etelä-Koreassa ja Kiinassa.

 Etuja 
 Auto ei ajaessa saastuta (polttokennosta vapautuu vain energiaa ja vettä).
 Auto ei kuluta öljyä, jonka hinta todennäköisesti kasvaa tulevaisuudessa.
 Vetyä voidaan valmistaa vedestä, joka ei lopu.
 Vetyä syntyy myös teollisuuden sivutuotteena.
 Vetyä voidaan valmistaa tuulivoimasta, jolloin pois lukien tuuliturbiinin rakentaminen prosessi sinänsä ei aiheuta saasteita tuotanto- (from well to tank) eikä käyttövaiheessa (from tank to wheel).
 Energiatehokkuus kohtalainen (hyötysuhde bensiinimoottorilla noin 25 %, dieselmoottorilla n. 40 %, polttokennoon kytketyllä sähkömoottorilla n. 50–60 %).
Raskaassa liikenteessä sähköautojen akut ovat liian raskaita ja epäkäytännöllisiä, mutta ympäristöystävällistä raskasta liikennettä voidaan toteuttaa vedyn avulla

 Haittoja 
 Polttokennoautoja ei ole saatavilla Suomessa
Suomessa ei ole vedyn jakeluverkostoa.
Autot ovat vielä suhteellisen kalliita verrattuna vastaaviin sähkömoottoriautoihin.
 Vedyn jakelujärjestelmän kehittäminen on kallista, eikä riittävää primäärienergianlähdettä ole vielä.
 Syntyy riippuvuus vetyä jakelevista energiayhtiöistä.
 Vedyn tuottamisesta voi aiheutua hiilidioksidipäästöjä.

 Malleja 
 Toyota Mirai 2
 Honda FCX
 BMW 7-sarja 760hAL
 Mercedes-Benz F-Cell
 Fiat Panda Hydrogen
 General Motors Sequel
 Opel Zafira HydroGen 3
 Nissan X-Trail FCV
 Ford Seattle-ite
 Hyundai Nexon

BMW on ilmoittanut tuovansa vuonna 2028 markkinoille vetyä käyttäviä polttokennoautoja. Autot ovat saatavilla vaihtoehtona sähkö- ja polttomoottoriautoille. BMW kehittää polttokennotekniikkaa Toyotan kanssa tavoitteena parantaa hyötysuhdetta ja laskea kustannuksia.

 Suomalaisia autoja 
Fantasia ja Pocket Car ovat keksijän ja toimitusjohtajan Arto Salosen suunnittelemia vedyllä kulkevia koeautoja.

Fantasia on Suomen ensimmäinen vetyautoVetyauto kaipaa halpaa polttoainetta. Tekniikka ja Talous 27.10.2005. Web Archive.. Se yltää 80 km/h:n nopeuteen ja kulkee yhdellä tankillisella 20 km:n matkan. Yksittäiskappaleena valmistettuna vuonna 2005 auton hinta oli 25 000 euroa ja polttoaineen tuotantoketjun hinta toiset 25 000 €. Fantasia on osa Jyväskylän yliopiston uusiutuvan energian koulutus- ja tutkimusohjelman hanketta, jossa myös tuotetaan auton tarvitsemaa vetyäSanna Kondratjeff: Vety pistää Fantasian liikkeelle. Jyväskylän ylioppilaslehti 7/2006. Artikkelin verkkoversio..

Pocket Car on kahden hengen “ekovetyauto”, jonka kori on tehty luomumaaleilla käsitellystä lentokonevanerista. Auton sisustuksessa on käytetty pellavaa ja nahkaa. Pocket Car käyttää Ballardin valmistamaa polttokennoa, jolla saavutetaan toimintasäde 30 km ja huippunopeus 90 km/h. Auto painaa 400 kg.Juha Granath: Vetyautolla on vauhti päällä. Kemia-Kemi Vol. 32 (2005) 8, s. 6–8 Artikkelin verkkoversio. Web Archive.

Fantasia ja Pocket Car ovat nähtävänä Uudenkaupungin automuseolla.

 Salaliittoteoria 
Who Killed the Electric Car? -dokumentissa esitetyn väitteen mukaan polttokennoihin perustuva vetyauto nostettiin esille, jotta saatiin siirrettyä huomio käyttökelpoisesta sähköautoteknologiasta eksoottisempaan ja vasta kokeiluasteella olevaan tekniikkaan. Polttokennoautojen kehitystyöhön käytettiin Yhdysvalloissa ainakin 1,5 miljardia dollaria veronmaksajien rahaa.The Amazing Waste: Hydrogen Fuel Cell Funding. Taxpayer.net. .

 Katso myös 
Sähkömoottori
Vaihtoehtoiset energianlähteet öljylle
Uusiutuva energia
Sähköauto
Vetyauto

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 

Luokka:Autotekniikka
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit
Luokka:Vety