Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin

Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin Pauli Koski Publications 10/2006 Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos Julkaisuja 24

Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos Julkaisuja 24 Katsaus uudenaikaisiin energianlähteisiin Pauli Koski 12. syyskuuta 2011 RIIHIMÄKI 2011

Kansikuva: Sana Sandler, Argonne National Laboratory Kannen Suunnittelu: Pirjo Laurimaa ISBN 978-951-25-2243-9 ISBN 978-951-25-2244-6 (PDF) Puolustusvoimien Teknillinen Tutkimuslaitos ISSN 1457-3938 Juvenes Print Oy Tampere 2011

Alkusanat Seppo Härköselle sekä erityisesti ohjaajalleni Mikko Moisiolle: kiitos ja anteeksi! Helsinki, 12. heinäkuuta, 2011 Pauli Koski

Tiivistelmä Tämän selvityksen tavoitteena on antaa lukijalle yleiskuva kehitteillä olevista vaihtoehtoisista sähköenergian tuotanto- ja varastointimenetelmistä. Raportissa käydään läpi perusteet eri energiantuotanto- ja varastointimuotoihin sekä vertaillaan kilpailevien tekniikoiden ominaisuuksia ja soveltuvuutta eri kohteisiin. Lisäksi selvityksessä esitellään mielenkiintoisia jo käytössä olevia ja potentiaalisia sovelluskohteita sekä pohditaan vaihtoehtoisten energiantuotantomenetelmien tulevaisuuden näkymiä. Asiasanat: vaihtoehtoinen energiantuotanto, energian varastointi, polttokennot, polttoprosessit, energian haalinta, biomekaaninen energia, ydinparisto, aurinkokennot, termosähköinen konversio

5 Lyhenteet AEM AFC APU CAES CI CIGS DBFC DDMEFC DEFC DFAFC DHFC DME DMFC DSSC ELDC HCCI Anion exchange membrane Anioninvaihtomembraani Alkaline fuel cell Alkalipolttokenno Auxiliary power unit Apuvoimalaite Compressed air energy storage Paineilmaenergiavarasto Compression ignition Puristussytytys Copper indium gallium selenide Kupari-indium-galliumdiselenidi Direct borohydride acid fuel cell Suoraborohydridipolttokenno Direct dimethylene ether fuel cell Suoradimetyylieetteripolttokenno Direct ethanol fuel cell Suoraetanolipolttokenno Direct formic acid fuel cell Suorametaanihappopolttokenno Direct hydrazine acid fuel cell Suorahydratsiinipolttokenno Dimethylene ether Dimetyylieetteri Direct methanol fuel cell Suorametanolipolttokenno Dye-sensitized solar cell Väriaineherkisteinen aurinkokenno Electric double-layer capacitor Superkondensaattori Homogeneous charge compression ignition Homogeeninen puristussytytys

6 HT-PEMFC IT-SOFC LFFC MCFC MEA MEMS MHFC PAFC PBI PBIFC PCFC PCM PEM PEMEC PEMFC PSZT High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell Korkean lämpötilan polymeerielektrolyyttipolttokenno Intermediate temperature solid oxide fuel cell Keskilämpötilan kiinteäoksidipolttokenno Laminar flow fuel cell Mikrofluidistinen polttokenno Molten carbonate fuel cell Sulakarbonaattipolttokenno Membrane electrode assembly Elektrodielektrolyyttiasennelma Microelectromechanical system Mikrosähkömekaaninen järjestelmä Metal hydride acid fuel cell Metallihydridipolttokenno Phosphoric acid fuel cell Fosforihappopolttokenno Polybenzimidasole Polybentsimidasoli Polybenzimidasole fuel cell Polybentsimidasolipolttokenno Proton ceramic fuel cell Keraaminen protoninvaihtopolttokenno Phase change material Faasimuutosmateriaali Polymer electrolyte membrane Proton exchange membrane Polymeerielektrolyytti Polymer electrolyte membrane electrolyzer cell Polymeerielektrolyyttielektrolyyseri Polymer electrolyte membrane fuel cell Proton exchange membrane fuel cell Polymeerielektrolyyttipolttokenno Lead stannate zirconate titanate Lyijyzirkonaattistannaattititanaatti

7 PTFE RMFC RTG SAFC SI SMES SOEC SOFC SSCAES TPV UAV UGV ULSD URFC UUV YSZ Polytetrafluoroethylene Polytetrafluoroetyleeni Reformed methanol fuel cell Reformerimetanolipolttokenno Radioisotope thermoelectric generator Termosähköinen radiatiivinen generaattori Solid acid fuel cell Kiinteähappopolttokenno Spark ignition Kipinäsytytys Superconducting magnetic energy storage Suprajohtava magneettinen energiavarasto Solid oxide electrolyzer cell Kiinteäoksidielektrolyyseri Solid oxide fuel cell Kiinteäoksidipolttokenno Small scale compressed air energy storage Pienikokoinen paineilmaenergiavarasto Thermophotovoltaic Termovalosähköinen Unmanned aerial vehicle Miehittämätön lentoalus Unmanned ground vehicle Miehittämätön maa-alus Ultralow sulphur diesel Rikkipuhdistettu diesel Unitized regenerative fuel fell Yksiköity regeneratiivinen polttokenno Unmanned underwater vehicle Miehittämätön sukellusalus Yttria-stabilized zirconia Yttrium-stabiloitu zirkonium

8 SISÄLTÖ Sisältö 1 Johdanto 10 2 Energian tuotanto 11 2.1 Polttoprosessit.............................. 12 2.1.1 Turbiinit............................. 12 2.1.2 Mäntämoottorit......................... 15 2.1.3 Polttimet............................. 16 2.2 Polttokennot............................... 17 2.2.1 Polymeerielektrolyyttipolttokennot.............. 18 2.2.2 Alkalipolttokennot....................... 21 2.2.3 Korkean lämpötilan polttokennot............... 23 2.3 Lämpöenergia sähköksi......................... 25 2.3.1 Lämpövoimakoneet...................... 25 2.3.2 Termosähköiset materiaalit.................. 25 2.3.3 Pyrosähköiset materiaalit................... 26 2.3.4 Termovalosähköinen konversio................ 27 2.4 Kineettinen energia........................... 28 2.4.1 Biomekaaninen energia.................... 29 2.4.2 Virtausenergia.......................... 30 2.5 Sähkömagneettinen säteily....................... 32 2.5.1 Radiotaajuisen energian talteenotto............. 32 2.5.2 Aurinkoenergia......................... 32 2.6 Biologiset energianlähteet....................... 37 2.6.1 Biopolttokennot......................... 37 2.6.2 Kasvien aineenvaihdunta................... 38 2.7 Radiatiivinen hajoaminen....................... 39 2.7.1 Termosähköinen konversio.................. 39 2.7.2 Ei-terminen konversio..................... 41 3 Energian varastointi 42 3.1 Kemiallinen varastointi......................... 42 3.1.1 Vety................................ 42 3.1.2 Hiilivedyt............................. 44 3.1.3 Kemialliset hydridit....................... 45 3.2 Sähkökemiallinen varastointi..................... 45 3.2.1 Lyijyakku............................. 46 3.2.2 Nikkeliakut............................ 46 3.2.3 Litium-ioniakut......................... 48 3.2.4 Sulasuola-akut.......................... 49 3.2.5 Virtausakut............................ 50

SISÄLTÖ 9 3.2.6 Regeneratiiviset polttokennot................. 50 3.3 Sähkömagneettinen varastointi.................... 51 3.3.1 Kondensaattorit......................... 51 3.3.2 Suprajohtava magneettinen varastointi........... 52 3.4 Lämmön varastointi........................... 53 3.4.1 Lämpökapasiteettivarastot................... 54 3.4.2 Faasimuutosmateriaalit.................... 54 3.5 Kineettinen varastointi......................... 54 3.6 Potentiaalienergian varastointi.................... 55 3.6.1 Paineilmavarastointi...................... 55 3.6.2 Veden potentiaalivarastointi.................. 55 4 Sovellukset 56 4.1 Sensorien tehonlähteet......................... 56 4.2 Yksittäisen sotilaan energianhallinta................. 58 4.3 Miehittämättömät alukset....................... 62 4.4 Ajoneuvot ja kuljetuskalusto...................... 66 4.5 Stationääriset tehonlähteet....................... 68 5 Yhteenveto ja johtopäätökset 72 5.1 Tehonlähteet ja varastointitekniikat.................. 72 5.2 Sovellukset ja järjestelmät....................... 73 5.3 Infrastruktuuri ja logistiikka...................... 74 Viitteet 74

1 Johdanto 1990-luvulta lähtien tietoisuus energiantuotannon synnyttämien päästöjen vaikutuksista on noussut huimaa vauhtia ja pyrkimys uusien vaihtoehtojen kartoittamiseen on johtanut energia-alan renessanssiin. Ympäristöystävällisiä energiantuotantotekniikoita on tutkittu jo kauan, mutta niille ei ole aiemmin nähty mitään konkreettista tarvetta. Fossiilisten polttoaineiden hupeneminen ja uhka hyvinvoinnin romahtamisesta on saanut vaihtoehtoisten energiatekniikoiden kehitykseen vauhtia ja eri tutkimusorganisaatiot ovat kehitelleet ja visioineet mitä moninaisimpia mahdollisuuksia tulevaisuuden energiatuotantoskenaarioista. Myös puolustussektorin on syytä pysyä mukana tulevassa energiainfrastruktuurin muutoksessa, sillä sotilasteknologian ei ole järkevä jäädä riippuvaiseksi hupenevista fossiilisista energiavaroista. Energiantuotantoperustan muuttaminen on kallista, mutta samalla on mahdollista adaptoida mukaan vielä tuntemattomampia ja potentiaalisesti hyvinkin suorituskykyisiä energiantuotantotekniikoita, jotka olisivat ilman muutostarvetta jääneet kokonaan kartoittamatta. Tulevissa sovelluksissa mukana kuljetettavien elektronisten laitteiden lukumäärä ja suurempi tehonkulutus muodostuvat haasteeksi nykyisille sähköntuotantotavoille. Uusista energiantuotantomenetelmistä on löytynyt potentiaalisia, energiatiheydeltään perinteiset akut päihittäviä vaihtoehtoja yksittäisen taistelijan ja miehittämättömien alusten sähköenergiantuotantoon. Tämän dokumentin tarkoituksena on antaa lukijalle yleinen käsitys erilaisista vaihtoehtoisista energiantuotantomenetelmistä. Raportti keskittyy enimmäkseen vielä hieman tuntemattomampiin energiantuotantomenetelmiin, jotka ovat vielä kehitysasteella tai vailla mittavaa kaupallista tuotantoa. Teksti on suunnattu aiheeseen tutustumattomalle lukijalle, eikä yksittäisiä teknologioita käsitellä selvityksen laajuuden johdosta pintaa syvemmältä. Kiinnostuksen herätessä kannattaakin kääntyä viitteinä mainitun materiaalin puoleen. Kappaleessa 2 käsitellään olemassa olevien energiantuotanto- ja muunnosteknologioiden perusteet ja käsitellään aiheita tutkimuksen ja tuotekehityksen näkökulmista. Seuraavassa kappaleessa perehdytään energianvarastointitekniikoihin. Kappaleessa 4 käydään läpi vaihtoehtoisten energiatekniikoiden jo käytössä olevia ja potentiaalisia sotilassovelluksia. Yhteenvedossa arvioidaan uusien energiatekniikoiden mahdollisuuksia ja haasteita sekä pohditaan mitä uutta ne tulevat mahdollistamaan lähitulevaisuudessa. 10

2 Energian tuotanto Kannettavasta elektroniikasta miehittämättömiin aluksiin, tuotekehityksen päämääränä on ollut laitteiden koon pienentäminen ja toiminta-ajan pidentäminen. Mikrosähkömekaanisilla järjestelmillä (MEMS) on saatu aikaan huomattavia parannuksia kaikilla sovellettavan teknologian osa-alueilla, poislukien tehonlähteet [1]. Laitteiden jatkokehityksen kannalta onkin tärkeää löytää uusia suorituskykyisiä tehonlähteitä nykyisten akkujen ja paristojen energiatiheyden lähestyessä kattoaan. Perinteisten hiilivetyjen (40 MJ/kg) ja vedyn (120 MJ/kg) energiatiheys ylittää moninkertaisesti nykyisten litium-ioniakkujen (<1 MJ/kg) energiatiheyden [2 4]. Jos polttoaineen kemiallinen energia saadaan edes osaksi muunnettua sähköksi, saavutetaan hiilivetyjen gravimetrisilla energiatiheyksillä huima harppaus nykyisiin akkuihin verrattuna. Kemiallisen energian muuntamiseksi sähköksi on perinteisesti käytetty polttomoottoriin yhdistettyä sähkögeneraattoria, mutta viime vuosikymmeninä vahvaksi kilpailijaksi ovat nousseet erityyppisten polttokennojen kavalkadi. Kehityskelpoisia ratkaisuja löytyy myös mikrokokoisten turbiinien ja polttimien saralta [5]. Toinen vaihtoehto energiatehokkuuden parantamiseen on haalia tarvittavaa energiaa käytettävän järjestelmän ympäristöstä (energy scavenging). Hyötykäyttöön voidaan ottaa ihmisen tuottama lämpöenergia (termosähköiset generaattorit), biomekaaninen energia tai jopa ympäristöstä löytyvän kasvillisuuden aineenvaihdunta [6]. Uusiutuvien energiantuotantomenetelmien kova kehitys on vauhdittanut myös aurinkokennoihin ja tuulivoimaan perustuvien energiajärjestelmien kaupallistamista. Erikoissovelluksissa vakiintuneen paikan saavuttaneiden radiatiivisten tehonlähteiden teknologia on myös murroksessa. Radiatiivisten tehonlähteiden korkea energiatiheys ja toimintavarmuus houkuttavat kehittämään nykyisten termosähköisten järjestelmien tilalle yhä pienempiä ei-termiseen muunnokseen perustuvia ydinparistoja [7]. Seuraavissa kappaleissa käydään läpi eri energian tuotanto ja konversiotekniikoita, lähtien kemiallisen energian muuntamisesta polttoprosesseilla ja polttokennoilla (kappaleet 2.1 ja 2.2), jatkaen lämpöenergian (2.3) ja kineettisen energian (2.4) talteenotolla. Lopuksi käydään läpi sähkömagneettisen säteilyn (2.5) avulla tuotettu energia, sekä biologiset (2.6) ja radiatiiviset (2.7) energianlähteet. 11

12 2.1 POLTTOPROSESSIT 2.1 Polttoprosessit Pienen skaalan polttoprosessit (mikro- ja mesoskaala) ovat lähiaikoina saaneet osakseen lisääntyvää huomiota, koska niiden on huomattu soveltuvan moniin eri kohteisiin, ei vain sähköenergian, mutta myös lämmön ja mekaanisen energian tuotantoon [8]. Mahdollisiin sovelluskohteisiin kuuluvat sensorit, aktuaattorit, kannettava elektroniikka, robotit, miehittämättömät alukset, lämmityslaitteet. Lisäksi polttoprosessit soveltuvat lämmön ja mekaanisen energian varavoimanlähteeksi ilmastointiin erilaisissa kulku- ja kuljetusvälineissä. Kuten jo edellä mainittiin, konsepti polttoprosessien hyödyntämisestä energiantuotannossa perustuu hiilivetyjen korkeaan energiatiheyteen, joka on jopa kaksi kertalukua korkeampi kuin nykyisellä akkuteknologialla on saavutettavissa. Polttoprosessia hyödyntävät laitteet voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään: lämpövoimakoneisiin ja polttimiin. Lämpövoimakoneet ovat laitteita jotka muuntavat lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Tähän luokkaan kuuluvat polttomoottorit sekä kaasuturbiinit, joissa polttoaineen kemiallinen energia muunnetaan rotaatioenergiaksi termodynaamisen työkierron avulla. Polttimet taas muuntavat polttoaineen kemiallisen energian mahdollisimman tehokkaasti lämmöksi, josta sitä voidaan hyödyntää muihin tarkoituksiin (ks. kappale 2.3). Isokokoiset turbiinit ja polttomoottorit ovat jo vakiintunutta tekniikkaa, joten todellinen haaste piileekin teknologian skaalautuvuudessa pienempään kokoon, erityisesti kannettavien laitteiden sähköntuotantoon [1, 8]. Ennen valmistustekniikan kehittymistä mikrotason komponenteille ja MEMS-teknologialle, polttoprosessien käyttö pienen skaalan laitteissa oli lähinnä akateemisen mielenkiinnon kohde. Mikroelektromekaanisten laitteiden yleistyminen loi tarpeen pienikokoisille energianlähteille. Seuraavissa kappaleissa perehdytään pienikokoisiin polttoprosessia hyödyntäviin laitteisiin. 2.1.1 Turbiinit Mikrokokoisten turbiininen kehitys on lähtenyt liikkeelle käytössä olevan teknologian skaalaamisesta pienempään kokoon. Tämä ei kuitenkaan onnistu vain pienentämällä laitteen dimensioita, sillä näin pienessä koossa virtausmekaniikka ja lämmönhallinta joudutaan miettimään kokonaan uudelleen. Vaikka teknologia on vielä kaukana kaupallistamisesta, mikroturbiineista on kuitenkin tehty useita onnistuneita demonstraatioita. Polttoaineena mikroturbiineissa voidaan käyttää kaasumuotoista hiilivetyä tai puhdasta vetyä. Turbiinien käyttämä Brayton-sykli on ylivoimainen verrattuna muihin polttomoottorityökiertoihin, sillä se tarjoaa korkeimman tehotiheyden

2.1 POLTTOPROSESSIT 13 Kuva 2.1: Kaaviokuva mikroturbiinin poikkileikkauksesta. Alkuperäiseen rakenteeseen [9] on myöhemmin ehdotettu parannuksia mm. polttokammion osalta [11]. Kuva: MIT OpenCourseWare. ja hyötysuhteen [9]. Lisäksi turbiinit ovat mekaanisesti kestäviä ja lämpötila voidaan pitää laitteen sisällä hyvin tasaisena. Mikroturbiini on sähkön tuottamiseksi kytkettävä sähkögeneraattoriin (ks. kappale 2.4). Tunnetuin kehitteillä oleva mikroturbiinikonsepti on MIT:n MEMSteknologiaan perustuva piipohjainen radiaalikompressoriturbiini. Turbiini on halkaisijaltaan 10 mm ja sen arvioitu sähköteho on noin 20 W [10]. Kuvissa 2.1 ja 2.2 on esitetty poikkileikkaus turbiinin rakenteesta ja lähikuva roottorilavoista. Turbiini koostuu useasta piihin etsatusta kerroksesta, jotka pinotaan päällekkäin kuvan 2.3 mukaisesti. Mikroturbiinista on tarkoitus kehittää suoraan piirilevyyn integroitava tehonlähde. Mikroturbiinin lupaavasta suorituskyvystä huolimatta konseptissa on vielä huomattavia ongelmia ratkaistavana. Riittävän tehontuotannon kannalta turbiiniin on pyörittävä hyvin suurella kierrosnopeudella (2.4 10 6 rpm [10]), mikä aiheuttaa ongelmia laakeroinnin kanssa [12]. Toinen ongelma on varsinkin roottorilapojen materiaalin väsyminen korkeissa lämpötiloissa (jopa 1500 C pakokaasulämpötila [9, 10]). Väsyminen voidaan ratkaista käyttämällä piin sijasta piikarbidia, piinitridiä tai alumiinioksidia, mikä toisaalta vaatisi soveltuvien etsausmenetelmien kehitystä [9, 11]. Ongelmia on pystytty ratkaisemaan myös vaihtoehtoisella turbiinirakenteella. Tohokun yliopistossa on demonstroitu mikroturbiini, joka pystyy Braytonsykliin jo 360 000 rpm kierrosluvuilla käyttölämpötilan pysytellessä 800 900 C tuntumassa [10].

14 2.1 POLTTOPROSESSIT Kuva 2.2: Lähikuva mikroturbiinin roottorilavoista. Kuva: MIT OpenCourseWare. Kuva 2.3: Kaavio kuudesta piikerroksesta koostuvan mikroturbiinin valmistusprosessista. Kuva: MIT OpenCourseWare.

2.1 POLTTOPROSESSIT 15 2.1.2 Mäntämoottorit Mäntämoottorit ovat tänä päivänä vakiintunutta teknologiaa ja niitä käytetään erilaisissa kulkuneuvoissa sekä varavoiman tuotannossa. Mäntämoottoriteknologiaa ei ole kuitenkaan kehitetty pienempään kokoluokkaan lähinnä valmistusteknisistä syistä. Kuten jo edellä mainittiin, hiilivetyjen korkea energiatiheys on herättänyt tutkijoiden kiinnostuksen myös mikrokokoisia mäntämoottoreita kohtaan. Mikromäntämoottoreissa fysikaaliset prosessit kuten palaminen, kaasujen kinetiikka ja lämmönvaihto tapahtuvat täysin eri skaalassa kuin täysikokoisissa polttomoottoreissa. Tämän johdosta suunnitteluperiaatteet eroavat radikaalisti suuremmista moottoreista. Mäntämoottorit on perinteisesti jaettu kipinäsytytteisiin (SI, Otto-sykli) ja puristussytytteisiin (CI, Diesel-sykli) moottoreihin. Kipinäsytytteisessä moottorissa osa palamisessa syntyvästä energiasta kuluu kaasuseoksen lämmittämiseen, ja tästä aiheutuva liekin tukahtuminen rajoittaa kipinäsytytteisen moottorin minimidimensioita [1]. Tätä rajoitusta ei kuitenkaan synny, jos käytetään sekä kipinä- että puristussytytteisen tekniikan yhdistelmää, HCCI-sykliä. HCCIsyklissä kokoa rajoittaviksi tekijöiksi muodostuvat kitka ja mäntä-sylinterirajapinnan vuodot [13]. HCCI-syklin soveltuvuutta mikromoottoreihin on demonstroitu 3.0 mm halkaisijan kertalaukaistavalla vapaamännällä n-heptaani/ilmaseoksella [10]. Käytettäessä ferromagneettista vapaamäntää voidaan moottoriin kytkeä induktioon perustuva sähkögeneraattori, jolloin ei tarvita kampiakselia ja erillistä sähkögeneraattoria[10]. Sylinterimoottorien lisäksi Berkeleyn yliopistossa (UCB) on kehitteillä pienikokoinen kiertomäntämoottori (Wankel). Projektin tavoitteena on kehittää MEMS-pohjainen halkaisijaltaan 2.4 mm roottoria käyttävä moottori, joka pystyisi tuottamaan 90 mw tehon [10]. Moottorin suurennosmallia on testattu vety/ilma-seoksella, jolloin saavutettiin 2.7 W teho 9300 rpm kierrosluvulla [14]. Tavoitteena on myös saada moottori toimimaan nestemäisellä hiilivedyllä [14]. Yleisenä ongelmana mäntämoottoreissa on kuitenkin soveltuvan valmistusmateriaalin ja -tekniikan löytäminen. Mäntämoottorien valmistusmateriaaliksi on ehdotettu mm. alumiinioksidia [15].

16 2.1 POLTTOPROSESSIT 2.1.3 Polttimet Tällä hetkellä kehitteillä on huomattava määrä erityyppisiä mikropolttimia, joita on tarkoitus käyttää joko suoraan pienen skaalan lämmöntuotantoon tai rinnakkain jonkin lämpöenergiaa sähköksi muuntavan tekniikan, esim. termosähköisen generaattorin, kanssa (ks. kappale 2.3). Polttimien hyvänä puolena on kiinteä mekaaninen rakenne. Valitettavasti sähköntuotantoon käytettävien järjestelmien kokonaishyötysuhde jää yleensä alhaiseksi. Pienen koon polttimien ongelmana on myös liekin ylläpitäminen, koska tarvittava lämpö karkaa helposti hukkaan polttimen seinämistä [8]. Palamisen kynnysenergiaa voidaan myös alentaa katalyyteillä (esim. platina tai palladium), jolloin palamista pystytään ylläpitämään alemmassa lämpötilassa [14]. Eniten tutkittu poltintyyppi on ns. spiraalikanavapoltin (Swiss Roll combustor), jossa polttokammiosta erkanee kaksi limittäin kulkevaa spiraalikanavaa, toinen polttoaineen syöttökanava ja toinen pakokaasujen poistokanava [5, 14]. Tämä rakenne mahdollistaa syötettävän polttoaineen esilämmityksen pakokaasusta kanavaseinämän läpi johtuvan lämmön avulla. Stereolitografialla valmistetulla 12.5 mm 12.5 mm 5.0 mm-kokoisella TEG-elementtiin kytketyllä spiraalipolttimella on pystytty 100 mw tehontuotantoon, kokonaishyötysuhteen vaihdellessa 1 5 % välillä, riippuen polttoaineesta [5]. Yalen yliopiston tutkijat ovat raportoineet katalyyttisestä 1000 C lämpötilassa toimivasta polttimesta, jolla on saavutettu jopa 97 % palamishyötysuhde, eli miltei kaikki polttoaineen energia muuttui lämmöksi [5]. Spiraalikanavan lisäksi on esitelty myös vaihtoehtoisia tekniikoita. Polttimissa voidaan käyttää pyörteistä palamista, jolloin liekki saadaan pienessäkin koossa stabiiliksi [2]. Toinen vähemmän tutkittu ja isommassa koossa paljon käytetty tapa on käyttää huokoista poltinkammiota, jolloin pystytään vähentämään lämmön karkaamista ja samalla lämmittämään syötettävää polttoainetta [14].

2.2 POLTTOKENNOT 17 Ulkoinen piiri e Polttoaine sisään Ilma sisään H 2 O 2 H + H 2 Ylimääräinen polttoaine PEM Ilma ja vesi ulos O 2 H 2O Virtauskanavalevy KDK Elektrodit KDK Virtauskanavalevy Kuva 2.4: Vetykäyttöisen protoninvaihtopolttokennon rakenne ja toimintaperiaate. Kuva: Pauli Koski [16]. 2.2 Polttokennot Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka pystyvät tehokkaasti muuntamaan polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi. Polttokennot käyttävät yleensä polttoaineenaan vetyä, hiilivetyjä tai muita sopivia vedynkantajia. Polttokennoille tyypillisiä ominaisuuksia ovat korkea hyötysuhde ja virrantiheys, hiljaisuus, kiinteä rakenne (ei liikkuvia osia), sekä hyvä skaalautuvuus milliwateista satoihin kilowatteihin. Polttokennot eivät myöskään tuota palamisreaktiosta tuttuja ilmansaasteita. Riippuen käytetystä polttoaineesta, polttokennot tuottavat ilmansaasteita hyvin vähän tai eivät ollenkaan. Saasteettomuus yhdessä korkean hyötysuhteen kanssa tekee polttokennoista ympäristöystävällisen tavan tuottaa sähköä, mikä onkin yksi keskeisimpiä motiiveja polttokennojen tutkimus- ja tuotekehitystyössä. Polttokennojen korkea hyötysuhde perustuu sähkökemialliseen hapetus-pelkistysreaktioon polttoaineen ja hapettimen välillä. Toisin kuin polttomoottoreissa, polttokennoissa kemiallinen reaktio tapahtuu kahtena puolireaktiona, kennon kummallakin elektrodilla. Koska kokonaisreaktiossa ei tapahdu palamista, polttokennon hyötysuhde voi ylittää termodynaamisen Carnothyötysuhteen. Kuvassa 2.4 on esitetty vetykäyttöisen protoninvaihtokennon rakenne ja toimintaperiaate. Yksittäisen polttokennon tuottama avoimen piirin jännite on yleensä 0.4 V

18 2.2 POLTTOKENNOT Kuva 2.5: Tyypillinen PEM-polttokennosto eli stack. Yksittäiset kennot on puristettu yhteen metallisten päätylevyjen väliin. Kuva: NREL. 1.0 V väliltä [17]. Tästä johtuen yksittäisen kennot nivotaan sarjaan kennostoiksi eli stackeiksi, jollainen on esitetty kuvassa 2.5. Kun polttokennoa aletaan kuormittaa, kennon tuottama jännite laskee avoimen piirin jännitteen alapuolelle. Jännitteen aleneminen johtuu häviömekanismeista, jotka on esitetty tarkemmin kuvassa 2.6. Polttokennojen toimintaan voi perehtyä tarkemmin mm. lähteistä [17 24]. Polttokennotyypit jaotellaan yleensä ryhmiin niiden käyttölämpötilan, polttoaineen tai elektrolyytin mukaan. Seuraavissa kappaleissa käydään läpi yleisesti tunnetuimmat ja teknologialtaan lupaavimmat polttokennotyypit. 2.2.1 Polymeerielektrolyyttipolttokennot Polymeerielektrolyyttipolttokenno tai protoninvaihtopolttokenno (PEMFC, PEFC) on eri polttokennotyypeistä selvästi tutkituin ja teknologialtaan kypsin. PEM-polttokennot käyttävät polttoaineenaan vetyä ja hapettimena happea, yleensä suoraan ilmasta. Elektrolyyttinä toimii ohut polymeerikalvo, joka on saatu protonijohtavaksi kiinnittämällä PTFE-runkoon sulfonihapporyhmiä. Koska tyypilliset elektrolyyttimembraanit vaativat kostutusta, rajoittaa nestemäisen veden tarve PEM-polttokennon käyttölämpötilan suhteellisen alhaiseksi, yleensä 30 C - 90 C välille. PEM-polttokennot hyviä ominaisuuksia

2.2 POLTTOKENNOT 19 1 600 E (V) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Alue I Jännite Tehotiheys Alue II Alue III 500 400 300 200 100 P (mw/cm 2 ) 0,2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 j (ma/cm 2 ) Kuva 2.6: Esimerkki protoninvaihtopolttokennon nk. polarisaatiokäyrästä (punainen). Kun kennosta aletaan ottaa virtaa, tippuu jännite avoimen piirin jännitteen alapuolelle erilaisten varauksen ja reaktanttien siirrosta aiheutuvien häviöiden johdosta. Kuvaan on merkitty kolme aluetta, joissa kunkin häviömekanismin vaikutus on selvimmin havaittavissa: (I) aktivaatiohäviöt, (II) Ohminen häviö ja (III) aineensiirtohäviöt. Kennon tuottama teho on esitetty kuvaajan oikeanpuoleisella akselilla (vihreä). Kuva: Pauli Koski [16].

20 2.2 POLTTOKENNOT ovat nopea käynnistys ja korkea virrantiheys. Membraanin kostuttaminen vaatii kuitenkin huomattavan määrään kennon ulkopuolista lisälaitteistoa. Reformeripolttokennot PEM-kennoissa on höyryreformoinnin avulla mahdollista käyttää polttoaineena myös erilaisia hiilivetyjä. Tyypillisiä reformoinnissa käytettäviä polttoaineita ovat metanoli ja maakaasu, joiden lisäksi on mahdollista käyttää mm. propaania, bensiiniä, dieseliä tai etanolia. Reformerin käytössä on haasteena sen vaatiman korkean lämpötilan ylläpito, varsinkin alhaisen lämpötilan polttokennoissa. Höyryreformointia on kuitenkin onnistuneesti käytetty mm. reformerimetanolipolttokenno (RMFC), joita on kaupallisesti saatavilla [25]. Suorareaktiopolttokennot Reformoinnin lisäksi vetyä sisältäviä polttoaineita on mahdollista käyttää nk. suorareaktiopolttokennoissa, joissa polttoaine syötetään sellaisenaan kennon elektrodille. Suorareaktiopolttokennot eroavat PEMFC:sta lähinnä polttoaineen syötön osalta. Polttoaineena voidaan käyttää nestemäisiä pienimolekyylisiä hiilivetyjä, kuten metanolia, etanolia, eettereitä tai muita orgaanisia yhdisteitä (esim. metaanihappo) [26]. Suorareaktiopolttokennojen käyttölämpötilat ovat yleensä hieman alhaisempia kuin vedyllä toimivien PEM-kennojen. Suorametanolipolttokenno (DMFC) on suorareaktiopolttokennoista lähimpänä kaupallistamista. Polttoaineena DMFC:ssa käytetään metanoli-vesiliuosta. Kemiallisessa reaktiossa anodi vastaanottaa vetyä suoraan metanolimolekyylistä (CH 3 OH), jolloin ei tarvita erillistä reformeria. Kuorman alaisena DMFC pystyy yleensä tuottamaan noin 0.3V 0.5 V jännitettä [19]. DMFC:a käytettään yleensä kannettavissa laitteissa, kuten kameroissa ja tietokoneissa, joiden tehovaatimukset ovat 1 W 1 kw väliltä. DMFC:n ongelmana on metanolin diffuusio elektrolyyttimembraanin läpi ja metanolin hidas hapettuminen anodilla [26]. Suoraetanolipolttokennossa (DEFC) anodille syötetään etanolia (C 2 H 5 OH), joka hapettuu tuottaen hiilidioksidia, protoneja ja elektroneja. DEFC:n tuottama jännite on 0.5 0.9 V väliltä ja tehotiheys huomattavasti DMFC:a matalampi [19, 27]. Suoradimetyylieetteripolttokennossa (DDMEFC) käytetään polttoaineena dimetyylieetteriä (CH 30 CH 3, DME). Polttoaineen DME sisältää paljon enemmän energiaa kuin metanoli, sillä yhdessä hapettumisreaktiossa syntyy metanolin kuuden elektronin sijasta 12 elektronia [27]. DME ei myöskään diffundoidu

2.2 POLTTOKENNOT 21 membraanin läpi yhtä helposti ja on turvallisempaa käyttää kuin metanoli. DD- MEFC suorituskyky on samaa luokkaa DMFC:n kanssa [27]. Suorametaanihappopolttokennossa (DFAFC) polttoaineena toimii metaanihappo (HCOOH). Metaanihappo ei tunkeudu polymeerielektrolyytin läpi, joten kennoon voidaan syöttää jopa 20 40 % liuosta, verrattuna suorametanolipolttokennon noin 6 prosenttiin [19]. DFAFC tuottama jännite on noin 0.55 V, joka on hyvin kaukana teoreettisesta 1.45 V [19]. 2.2.2 Alkalipolttokennot Alkalipolttokennot (AFC) toimivat noin 100 C lämpötilassa ja niiden hyötysuhde on 60 70 % luokkaa [19]. Polttoaineena toimii vety ja elektrolyyttinä käytetään veteen liuotettua kaliumhydroksidia (KOH), joka kuljettaa negatiivisia ioneja anodilta katodille [28]. Alkalipolttokennoille on ominaista nopea käynnistyminen. Elektrolyytti on hyvin herkkiä hiilidioksidille, joten kennoon syötettävä ilma on suodatettava ennen käyttöä. Haittapuolena on myös elektrolyytin korrosiivisuus, joka lyhentää käyttöikää. AFC:t ovat ensimmäisiä polttokennoja, jotka laitettiin hyötykäyttöön jo 1900-luvn alussa [28]. Alkalipolttokennoja on käytetty mm. ajoneuvoissa ja avaruussukkuloissa, mutta 1980-luvulla kiinnostus AFC:n lopahti. Uudentyppisten ohutkalvoelektrolyyttien (PEM) kehitys on kuitenkin herättänyt uutta kiinnostusta alkalipolttokennoihin ja aikaisemmin ongelmana olleita heikkouksia yritetään kiertää kehittämällä polymeeripohjaista anioninvaihtomembraania (AEM) [28]. Seuraavaksi esitellään muutamia alkaliseen kennoon (ja AEM:n) perustuvia vaihtoehtoisia polttoaineita käyttäviä kennotyyppejä. Suoraborohydridipolttokenno (DBFC) Suoraborohydridipolttokenno käyttää polttoaineenaan veteen liuotettua natriumborohydridiä (NaBH 4 ), joka alkaalisissa olosuhteissa vapauttaa vetyä ja lopulta hapettuu booraksiksi (NaBO 2 ). DBFC:a käytetään noin 70 C lämpötilassa ja katalyyttinä voidaan käyttää jalometallien sijasta nikkeliä, jolla saavutetaan noin 50 % hyötysuhde [29]. DBFC:n tuottama suhteellisen korkea jännite (1.64 V), hyvä tehotiheys ja matala käyttölämpötila yhdessä natriumborohydridin 10.4 massaprosentin vedynkantokykyyn tekevät siitä lupaavan tehonlähteen kannettaviin laitteisiin [19, 29]. Haittapuolen on kuitenkin borohydridien korkea hinta [19].

22 2.2 POLTTOKENNOT Suorahydratsiinipolttokenno (DHFC) Suorahydratsiinipolttokenno käyttää polttoaineenaan hydratsiinia (N 2 H 4 ), jota on tutkittu alkalikennojen polttoaineen jo 1970-luvulta [26]. DHFC on kuitenkin vielä tutkimus- ja kehitysasteella. DHFC:a on kokeiltu sekä kationin- ja anioninvaihtomembraaneilla, joista anioninvaihtokenno todettu huomattavasti paremmin toimivaksi [26]. DHFC:n teoreettinen jännite on 1.56 V [26]. Hydratsiini ei sisällä hiiltä, joten hapettumisessa ei synny hiilidioksidia, eivätkä hiiliyhdisteet pääse myrkyttämään katalyyttejä [26]. Hydratsiini on kuitenkin hyvin myrkyllistä, joten järjestelmien suunnittelu vaati erityistä huolellisuutta. Anioninvaihtomembraaneja on myös hyvin heikosti saatavilla, joten AEM:n kaupallistaminen ja MEA-synteesin kehittäminen on olennainen askel DHFC:n implementoinnissa [26]. Metallihydridipolttokennot MHFC Metallihydridipolttokenno vastaa suurelta osin AFC:a, mutta sen anodi on valmistettu metallihydiridikomposiitista, joka pystyy varaamaan polttoaineena käytettyä vetyä polttokennon sisälle. Täten MHFC on mahdollista ladata kuin akku, jolloin anodille varautuu uudelleen käytettävissä olevaa vetyä. MHFC on tällä hetkellä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa ja tehotiheydet ovat tähän mennessä olleet varsin alhaisia, noin 100 mw/cm 2 luokkaa [30]. Tästä huolimatta MHFC on erittäin mielenkiintoinen huomattavan alhaalle, jopa 20 C ulottuvan toimintalämpötilansa johdosta [30]. Mikrofluidistinen polttokenno Mikrofluidistinen polttokenno (LFFC) on membraaniton laminaariseen virtaukseen perustuva kennotyyppi. LFFC:ssa polttoaine ja oksidantti virtaavat laminaarisesti kanavassa, jolloin kahden nesteen rajapinta muodostaa virtuaalisen ioninvaihtokalvon [31]. Kennon elektrodit on sijoitettu kanavan vastakkaisille seinustoille. Virtaus on mahdollista pitää laminaarisena vain todella pienen skaalan kanavassa, jolloin suurempitehoisissa LFFC-tehonlähteissä on oltava suuri mikrokanavien muodostama verkosto. Polttoaineena LFFC:ssa käytetään vetyä, metanolia, metaanihappoa tai mitä tahansa muuta matalan lämpötilan polttokennoista tuttuja polttoaineita [32]. Virrantiheydet vaihtelevat suuresti, 0.01 100 mw välillä, riippuen kennon rakenteesta ja polttoaineesta [32]. LFFC on vasta varhaisessa tutkimusvaiheessa, mutta lupaus membraanittomuudesta ja sen tuomista hyödyistä ajaa tutkimusta kiivaasti eteenpäin.