Polttokenno: miten se toimii, polttoaineet ja rooli vetytaloudessa

Vesi on molekyyli, joka koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Veden erottaminen hapeksi ja vedyksi vie energiaa, ja energiaa vapautuu, kun ne yhdistetään takaisin vedeksi. Polttokenno yhdistää vedyn ja hapen siten, että energia vapautuu sähkön muodossa.

Polttoaine (energianlähde, yleensä vety) ja ilma (joka sisältää happea) asetetaan polttokennon vastakkaisille puolille. Polttokennon keskellä on kahden metallilevyn, elektrodien, välissä "seula", jota kutsutaan elektrolyytiksi ja joka pitää polttoaineen ja ilman erillään toisistaan. Erilaiset polttokennot ovat saaneet nimensä sen mukaan, minkälaista seulaa käytetään polttoaineen ja ilman erottamiseen. Seulan läpi pääsevät vain tietyt varautuneet molekyylit, joita kutsutaan myös ioneiksi.

Ionien muodostamiseksi elektronit on kuljetettava järjestelmän toiselta puolelta toiselle. Polttoaineen puolella oleva metallilevy irrottaa elektronit polttoaineesta, ja niiden on kuljettava ilman puolelle reaktion loppuun saattamiseksi. Koska seula ei päästä elektroneja läpi, ne kulkevat erillisen johtimen kautta ilmapuolen toiselle metallilevylle. Elektronien matka synnyttää sähkövirtaa (sähköä). Johdossa sähköä voidaan käyttää. Johdin voidaan esimerkiksi katkaista kahtia, ja puolikkaiden väliin voidaan kytkeä hehkulamppu.

Sillä välin ionit kulkevat seulan läpi ja reagoivat toisella puolella olevien molekyylien (jotka ovat jo toisella puolella) ja elektronien (jotka ovat kulkeneet langan läpi ja luovuttaneet energiaa elektroniikan virranlähteeksi) kanssa. Muodostuu vettä (ja polttoainetyypistä riippuen joskus muitakin tuotteita), joka tulee ulos pakoputken kautta.

Polttokennot tuottavat sähköä yhdistämällä happea ja vetyä. Hyötysuhde on erittäin hyvä (noin 40-70 %). Niiden hyötysuhde on enimmillään 83 prosenttia, jos pakokaasun lämpöä käytetään reaktion aikana. Polttokennoissa voidaan käyttää myös erilaisia polttoaineita, esimerkiksi maakaasua, metanolia, nestekaasua (LPG), teollisuusbensiiniä, kerosiinia jne.

Jotkin polttokennotyypit tuottavat vain vettä, mikä tarkoittaa, että ne eivät saastuta. Useimmat polttokennotyypit aiheuttavat paljon vähemmän päästöjä kuin perinteinen ("kalorinen") sähköntuotanto. Ne voivat käyttää samoja polttoainetyyppejä kuin perinteiset sähköntuottajat, esimerkiksi dieselmoottorit, mutta niiden hyötysuhde on noin kaksi kertaa parempi, mikä tarkoittaa, että ne voivat tuottaa saman energiamäärän puolet pienemmällä polttoainemäärällä ja siten vähintään puolet pienemmällä saastemäärällä. Lisäksi polttokennojen suorassa muuntamisessa on pienempi riski tuottaa sekundaaripäästöjä, kuten NOx-, SOx- ja hiukkaspäästöjä, jotka ovat palamisen sivuvaikutuksia, edistävät ilmaston lämpenemistä ja tunnetaan kriteeripäästöinä.

Polttokennot ovat hyvin hiljaisia. Niissä ei ole liikkuvia osia lukuun ottamatta tuulettimia, jotka liikuttavat ilmaa, ja pumppuja, jotka liikuttavat vettä, joten ne vaativat hyvin harvoin korjauksia, mutta jotkin suuret polttokennot, joita käytetään esimerkiksi rakennusten virranlähteenä, voivat olla melko hauraita.

Koska polttokennot aiheuttavat hyvin vähän epäpuhtauspäästöjä, niitä käytetään usein rakennusten sisällä liikkuvissa ajoneuvoissa, kuten trukeissa. Koska ne ovat erittäin hiljaisia, niitä käytetään joissakin sotilasvenesukellusveneissä, jotta ne eivät havaittaisi niitä. Polttoaineen käyttö on tehokkaampaa, joten polttokennot voivat toimia pidempään ilman uutta polttoainetta. Tämän ansiosta niitä voidaan käyttää paikoissa, joihin on vaikea päästä, kuten sää- tai tutkimusasemilla, avaruusaluksissa tai sotilastukikohdissa.

Koska avaruusalukset laukaistaan käyttäen raketteja, jotka sisältävät puhdasta vetyä ja happea, aluksessa oleva sähkö tuotetaan erittäin tehokkailla polttokennoilla, jotka voivat käyttää näitä polttoaineita. Lisäksi avaruusalusten polttokennot tuottavat pakokaasuissaan puhdasta vettä, joka voidaan ottaa talteen ja käyttää astronauttien juomavetenä, joten mitään ei mene hukkaan.

Polttokennot voidaan luokitella sisäisen seulan (elektrolyytti) tyypin mukaan. Esimerkiksi fosforihappopolttokennot on tarkoitettu mataliin lämpötiloihin. Sitä käytetään matkapuhelimissa ja autojen virtalähteissä, jotka vaativat suuria virtoja, koska se on paljon turvallisempi. Emäksiset polttokennot sisältävät yleensä kaliumhydroksidia (KOH). Metanolipolttokennoja käytetään reagoimalla metanolia sähkökemiallisesti. Tämäntyyppinen polttokenno on parempi valinta yksinkertaisempaan järjestelmään. Metanolipolttokennojen lähtötiheydet ovat kuitenkin alhaiset, koska sen reaktionopeus on hidas.

Joitakin tärkeitä polttokennotyyppejä ovat:

• Fosforihappopolttokenno (PAFC) - Fosforihappopolttokennoja on nykyään kaupallisesti saatavilla. Ne ovat yleisimpiä polttokennoja sähkön ja lämmön yhteistuotannossa.
• Protoninvaihtomembraanipolttokenno (PEM) - Nämä polttokennot toimivat suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (noin 175 °F), niillä on suuri tehotiheys, niiden teho voi vaihdella nopeasti tehontarpeen muutosten mukaan ja ne soveltuvat sovelluksiin, kuten autoihin, joissa tarvitaan nopeaa käynnistystä. Kaikissa kaupallisissa polttokennoajoneuvoissa käytetään tämäntyyppisiä polttokennoja. Näiden polttokennojen haittapuolena on, että ne vaativat erittäin puhdasta vetyä, jonka tuottaminen on kallista.
• Sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) - Nämä polttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa, minkä ansiosta ne voivat muuntaa monimutkaisempia polttoaineita, kuten maakaasua, vetypolttoaineeksi, jota itse kenno voi käyttää. Näiden kennojen käynnistäminen ja sammuttaminen kestää useita tunteja, joten niitä käytetään vain sellaisissa sovelluksissa, joissa ne voivat toimia jatkuvasti, kuten suurten rakennusten tai yritysten kiinteässä energiantuotannossa.
• Mikrobipolttokenno (MFC) - Polttokenno, joka käyttää hengittäviä mikrobeja muuttamaan orgaanisia substraatteja sähköenergiaksi hapetus-pelkistysreaktioiden avulla.

Polttokennoille on monia käyttötarkoituksia - suuret autonvalmistajat pyrkivät kaupallistamaan polttokennoautoja. Toyota on julkaissut Mirain ja Honda Clarityn. Polttokennot toimivat busseissa, veneissä, junissa, lentokoneissa, skoottereissa, trukeissa ja polkupyörissä. On olemassa polttokennokäyttöisiä myyntiautomaatteja, pölynimureita ja liikennemerkkejä. Matkapuhelimiin, kannettaviin tietokoneisiin ja kannettavaan elektroniikkaan on ennustettu käytettävän pienoispolttokennoja. Sairaalat, luottokorttikeskukset, poliisiasemat ja pankit käyttävät polttokennoja tilojensa sähköistämiseen. Jätevedenpuhdistamot ja kaatopaikat käyttävät niitä muuntamaan tuottamansa metaanikaasun sähköksi. Polttokennoja on jo pitkään käytetty avaruudessa. Televiestintäyhtiöt käyttävät polttokennoja matkapuhelin-, radio- ja hätäkeskustorneissa.