Polttokennolaboratoriotyö

Polttokennolaboratoriotyö Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka muuntavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi ja lämmöksi [1]. Ne eivät nimensä mukaisesti kuitenkaan polta polttoainetta, mutta kennoon menee sisälle polttoainetta ja ilmaa tai happea, joilla saadaan aikaiseksi sähkövirta sekä tuotetaan lämpöä, kuten kuvassa 1. Polttokennojen teho voi vaihdella mikrowateista megawatteihin [2]. Ne koostuvat anodista, katodista ja niiden välissä olevasta elektrolyytistä. Kennotyypistä riippuen polttoaineena voivat toimia vety tai hiilivedyt. Vety polttoaineena tuottaa reaktiotuotteena vain vettä, mutta hiilivedyt tuottavat vettä sekä hiilidioksidia. Yhdellä kennolla luodaan pieni jännite, mutta jännitettä nostetaan kytkemällä kennoja sarjaan. Näin tehdään polttokennosto. Kennosto koostuu polttokennoista, bipolaarilevyistä ja tiivisteistä [1]. Elektrodien tulee olla huokoisia, jotta reaktantit ja reaktiotuotteet pääsevät liikkumaan vapaasti [1]. Elektrolyytin tulee olla hyvä ionijohde, sähköinen eriste, kaasutiivis ja kemiallisesti stabiili [1]. Bipolaarilevyillä on useita tarkoituksia. Ne jakavat kaasuvirtaukset tasaisesti kennon pinnalle, kuljettavat reaktiotuotteen pois kennosta, estävät polttoaineen ja hapettimen sekoittumisen ja kytkevät kennot sähköisesti yhteen [1]. Tiivisteet erottavat elektrodit ilmakehästä ja toisistaan [1]. Kuva 1 Polttokennon toimintaperiaate [3] Polttokennot voivat käyttää polttoaineena vetyä tai hiilivetyjä. Vety ei aiheuta paikallisia päästöjä, mutta hiilivetypolttokennoissa syntyy myös hiilidioksidia. Vety valmistetaan tyypillisimmin maakaasun höyryreformoinnilla [6]. Vetyä voidaan valmistaa myös kaasuttamalla biomassaa ja erottamalla vety tuotekaasusta, mutta tällöin kaasussa on paljon epäpuhtauksia [6]. Polttokennosovellutuksiin vety valmistetaan tyypillisesti elektrolyysillä, koska näin saatu tuotekaasu on hyvin puhdasta [6]. Elektrolyysi on periaatteessa käänteinen polttokennoreaktio, sillä se hajoittaa veden vedyksi ja hapeksi. Tyypit, mallit

Polttokennot voidaan jakaa matalalämpötila- ja korkealämpötilakennoihin. Matalalämpötilakennot, kuten PEM, toimivat jo alhaisissa reaktiolämpötiloissa ja korkealämpötilakennot korkeissa lämpötiloissa, kuten SOFC. Kennot on nimetty tavallisesti niiden elektrolyyttien perusteella. Kuva 2 näyttää tiivistetysti polttokennojen ominaisuudet. Kuva 2 Polttokennotyyppien ominaisuudet [1] PEM (Proton exchange membrane)-polttokennot ovat tällä hetkellä tiukan kehityksen alla. Lyhenteestä käytetään myös nimitystä polymer electrolyte membrane. PEM-kennot soveltuvat erityisesti liikennesovelluksiin, sillä niillä on korkea hyötysuhde myös osakuormilla sekä alhainen toimintalämpötila. Alhainen toimintalämpötila lyhentää käynnistysaikaa, joten kennot soveltuvat myös lyhyen starttiajan varavoimaan [1]. Polttoaineena voidaan käyttää vetyä tai muita nestemmäisiä hiilivetyjä. Alkaalipolttokennot (AFC, Alcalic fuel cell) ovat luotettavia ja niillä on korkea hyötysuhde [1]. Tästä syystä niitä käytetään erityisesti avaruussovelluksissa (esim. avaruussukkulat). Uusimmissa alkaalipolttokennoissa toimintalämpötila-alue on saatu laskettua jopa noin 23-70 C:seen. AFC:n haittana on muun muassa helposti myrkyttyvä elektrolyytti [1, 5]. Jo pienet CO- ja CO 2 -pitoisuudet vaikuttavat kennon toimintaan [1] ja aiheuttavat tiukkoja vaatimuksia polttoaineelle ja hapelle [5]. Fosforihappopolttokennot (PAFC, Phosphoric acid fuel cells) ovat ensimmäisen sukupolven polttokennoja [5]. Toimintalämpötila on huomattavasti korkeampi kuin PEM-tyypeillä, joten sietää paremmin CO:ta [1]. PAkennot ovat kuitenkin teho-painon ja tilavuuden suhteen huonompia kuin muut polttokennot [5], eivätkä sovellu juuri liikuteltavaan käyttöön [4]. Sulakarbonaattipolttokennot (MCFC, Molten carbonate fuel cell) ovat korkealämpötilaisia kennoja. Korkea lämpötila mahdollistaa halvemmat katalyytit [5]. Kennoa voidaan käyttää suoraan metaanilla tai biokaasulla ilman ulkoista reformeria [5]. Sillä on korkea hyötysuhde ja se soveltuu parhaiten paikallaan oleviin ratkaisuihin [4], kuten voimalaitoksiin, varavoimaksi ja yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon [1]. Reaktio tuottaa lämpöä. Jos lämpö otetaan talteen, se voi tehostaa hyötysuhdetta.

Kiinteäoksidipolttokennojen (SOFC, Solid oxide fuel cell) elektrolyytti on nimensä mukaisesti kiinteä. Niiden saralla tehdään tällä hetkellä paljon kehitystyötä [4]. SO-polttokennot toimivat korkeissa lämpötiloissa, mikä mahdollistaa halvemmat katalyytit samalla tavalla kuin sulakarbonaattikennoilla. Myös SO-kennoja voidaan käyttää suurella valkoimalla muita polttoaineilta kuin vetyä [5]. Korkea lämpötila mahdollistaa myös nopeat reaktiot [1], mutta pidemmän käynnistysajan [5]. Koska polttokennosta vapautuu jätelämpöä, sähkön ja lämmön yhteistuotanto voi nostaa kokonaishyötysuhteen hyvin korkealle [5]. Alhaisempaa reaktiolämpötilaa tavoitellaan, jotta tarjolla olisi laajempi materiaalivalikoima [4]. SOFC soveltuu MCFC:n tavoin voimalaitoksiin, varavoimaksi ja yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon [1]. Edut Vetypolttokennojen reaktiotuotteena syntyy vain vettä, mutta hiilivetypolttokennot aiheuttavat myös CO 2 - päästöjä. Jos vedyn valmistuksessa käytettävä sähkö on tuotettu vihreillä energiamuodoilla, on polttokennojen tuottama sähkö aika päästötöntä. Polttokennojen ohjauksen vasteaika on tyypillisesti lyhyt [1]. Polttokennoston toiminta on myös hiljaista [1]. Erityisesti PEM-tyypin polttokennot ovat modulaarisesti toteutettuja, joten pienten ja suurten sovellusten hinta/kwh on sama [4]. Modulaarisuus myös mahdollistaa suuremmat tuotantovolyymit, jotka laskevat yksikköhintoja. Haitat ja rajoitteet Vetyä ei esiinny maapallolla sellaisenaan, ja vedyn tuotanto kuluttaa sähköä. Korkealämpötilapolttokennoilla käynnistysaika on pidempi, jotta kenno lämpenee tarvittavaan reaktiolämpötilaan [4]. Polttokennojen katalyytit myrkyttyvät helposti, joten polttoaineiden täytyy olla puhtaita [1]. Pohdinnan alla on myös vedyn turvallisuus henkilöautoliikenteessä [4], erityisesti kolareissa. Rajoitteena on myös puuttuva infrastruktuuri esim. putkiverkosto sekä säilönnän hankaluudet. Vety kuljetetaan pääasiassa nestemmäisenä joko suuren paineen alaisena tai jäähdytettynä, mutta myös muita ratkaisuja tutkitaan. Nestemmäinen vety pidetään 7 bar paineessa. Paineistaminen ja ylipaineessa pitäminen kuluttavat energiaa. Vety muuttuu nestemmäiseksi myös -253 C asteessa. Jäähdytyksessä on samat ongelmat kuin paineistamisessa, jäähdyttäminen sekä lämpötilan ylläpito kuluttavat energiaa. Jotta polttokennoautoilla olisi sama toimintasäde kuin polttomoottoreilla, säiliöiden koko aiheuttaa rajoitteita. Säiliöt ovat suuria ja painavat. Sovellutukset Lisääntyvä tuuli- ja aurinkovoimakapasiteetti luo kehityspaineita energiamarkkinoille. Nämä uusiutuvat energialähteet aiheuttavat hetkittäisiä sähköntuotantopiikkejä. Sähköverkon stabiilisuus perustuu siihen, että tuotanto on yhtäsuuri kuin kulutus. Tästä syystä sähkön ylituotanto pitäisi pystyä tasaamaan joillakin tavoin, koska harvoja voimalaitoksia on kannattavaa tai jopa mahdollista ajaa alas tällaisten piikkien aikana. Yksi vaihtoehto kulutuksen tasaamiseen voi olla vedyn tuotanto ja polttokennot. Sähkön ylitarjonnan aikana voidaan valmistaa vetyä elektrolyysillä. Kun kysyntä ylittää tarjonnan, polttokennot voidaan käynnistää ja tuottaa sähköä. Elektrolyysi ja polttokennot tarjoavat suhteellisen päästöttömän energian säilöntä tavan, kun elektrolyysiin käytetty sähkö on tuotettu uusiutuvilla energialähteillä. Polttokennoautoissa on polttoainesäiliö, polttokennosto ja sähkömoottori. Tyypillisin kennosto on PEMtyyppinen. Tämä johtuu PEMin matalasta lämpötilasta sekä tehokkaasta osakuorma-ajosta. Polttokennoauto voi olla myös hybridi yhdistettynä esim. sähköakkuun. Polttokennoautot aiheuttavat pienemmän päästöt ajon aikana kuin polttomoottorit. Kuten aiemmin sanottu, polttokennoja voidaan käyttää myös voimalaitoksina. Jos polttoaineen vaatima infrastruktuuri on jo olemassa, polttoaineen toimitus on helppoa [4]. Myös laitosalueilla on suhteellisen hyvät mahdollisuudet säilöä polttoainetta [4]. Varavoimasovellutukset ovat myös mahdollisia polttokennoilla.

Laboratoriotyö Laboratoriolaitteistoon kuuluu vesielektrolyyseri, PEM-polttokennosto, säädettävä virtalähde, ilmakompressori, keinokuorma ja yleismittari. Työn tavoitteena on tutustuttaa opiskelijat polttokennoihin ja niiden toimintaperiaatteisiin. Systeemin toiminta voidaan jakaa vaihe vaiheelta seuraavasti: 1. Vedyn tuotanto elektrolyyserillä 2. Ilman syöttö polttokennolle 3. Vedyn syöttö polttokennolle ja polttokennoreaktio 4. Sähkön tuotanto Kuva 3 Vasemalla elektrolyyseri, oikea yllä polttokennosto, oikea alla virtalähde Malliltaan 5-kennoinen vesielektrolyyseri (kuva 4) hajottaa sähkön avulla tislatun veden hapeksi ja vedyksi. Tästä syystä elektrolyyseri pitää välillä kytkeä sähköverkkoon. Sitä ei voi kuitenkaan pitää jatkuvasti kiinni sähköverkossa, koska se hälyttää noin 20 min jälkeen. Tämä kannattaa ohjelmoida kellokytkimellä.

Polttokennona toimii 65-kennoinen vetypolttokennosto (PEM, kuva 4). PEM-polttokennon anodille viedään vetyä ja katodille ilmaa tai happea (laboratoriotyössä ilmaa). Anodin platinainen katalyytti (Pt) hajottaa vedyn protoniksi ja elektroniksi. Elektroni kiertää kennon ulkoisessa virtapiirissä (tuottaa sähköä) ja protoni kulkee membraanin läpi katodille, missä se reagoi hapen kanssa ja tuottaa vettä. Protoni ei kulje membraanin läpi ilman vesimolekyyliä. Katodilla muodostuva vesi kulkeutuu diffuusion vaikutuksesta takaisin anodille. Kennoreaktio anodilla on: ja katodilla: 2 +2 (1) +2 +2 (2) Kuva 3 Periaatekuva polttokennosta [1] Virtalähteestä (kuva 4) saadaan sähkövirta sekä vesielektrolyyserille että ilmakompressorille. Elektrolyyseri kuluttaa maksimissaan 10 A. Ilmakompressorilla ohjataan ilmaa polttokennostolle. Sen jännitettä voidaan säätää välillä 2-12 VDC. Polttokenno vaatii myös kuorman, joka käyttää tuotetun sähkön. Kuorma on BK Precision 8500 300 W keinokuorma. Työssä mitataan vesielektrolyyserin kennoston jännite eri sähkövirran arvoilla ja lasketaan ottoteho. Lisäksi tallennetaan Fluke189 tallentavalla yleismittarilla polttokennoston jännite. Ennen työtä lasketaan miten paljon polttokennostoa voi kuormittaa virralla kun tunnetaan elektrolyyserin virta. Lopuksi vertaillaan elektrolyyserin tehoja sekä polttokennoston tehoja. =hyötysuhde Harjoituksessa on tarkoitus oppia, että liika ilma kuivattaa membraanit ja kennoston teho romahtaa. Kasvata ilman syöttöä (lisää puhaltimen pyörimisnopeutta) polttokennolle. Mitä tapahtuu? Vesielektrolyyseriä syötetään 10 A säädettävällä virtalähteellä. Kun virta on 5 A niin kennojännite on 2,030 V ja kun virta on 20 A niin kennojännite on 2,461 V. Polttokennoston virtaa säädetään keinokuormalla. Polttokennoston jännite on ilman sähköistä kuormaa noin 65 V (65*1,0 V). Polttokennoston jännitettä ei tulisi kuormittaa alle 39 V (65*0,6 V). Mitä tapahtuu?

Matkii tilannetta, jossa aurinko- ja tuulivoima tuottavat enemmän sähköä kun on kulutusta. Ensimmäinen sarake on ilmapumpun käyttöjännite ja toinen sarake on virtausanturin mittausjännite kalibroinnissa. Kolmas sarake on ilmavirtaus ja neljäs on tarvittava vetyvirtaus. Viides sarake on vastaava vetypolttokennoston sähkövirta ja kuudes on elektrolyyserin sähkövirta. pump air air H2 FC65 Elec5 V V l/min l/min A A 0,6 1,1662 0,722 0,152 0,33 5,17 0,7 1,2318 1,034 0,217 0,47 7,40 0,8 1,2846 1,309 0,275 0,60 9,37 0,9 1,3376 1,592 0,334 0,73 11,40 1,0 1,3938 1,913 0,402 0,88 13,70 1,1 1,4389 2,185 0,459 1,00 15,65 1,2 1,4808 2,445 0,513 1,12 17,51 1,3 1,5223 2,719 0,571 1,25 19,47 1,4 1,5615 2,982 0,626 1,37 21,35 1,5 1,6020 3,272 0,687 1,50 23,43 1,6 1,6320 3,488 0,732 1,60 24,97 1,7 1,6689 3,772 0,792 1,73 27,01 1,8 1,6986 4,001 0,840 1,84 28,65 1,9 1,7267 4,232 0,889 1,94 30,30 Esitehtävä: Polttokennosto tarvitsee toimiakseen ilma- tai happivirran. Laboratoriotehtävässä kennosto toimii ilmalla, joka koostuu typestä N2: 78%, hapesta O2: 21 % ja muista kaasuista 1%. Vesielektrolyyserin sähkövirta 2,3678 A pystyy hajottamaan vettä siten, että vetyä syntyy 1 litra/h. Elektrolyyserissä on viisi kennoa ja jokainen niistä tuottaa tämän määrän vetyä. Syntyvä vety syötetään PEM-vetypolttokennostolle, jossa on 65 kennoa. Vesielektrolyyserin virran pitää olla vähintään 13 (65/5) kertaa niin suuri kuin polttokennoston virta, että polttokennoston jokaiseen kennoon tulee riittävästi vetyä. Koska osa vedystä osa kulkee kennoston läpi niin tarvittava sähkövirta on yli 13- kertainen elektrolyyseriin verrattuna. (Vedyn riittävyyttä mitataan polttokennoston ulostulosta vapaasti hengittävällä polttokennostolla. Vetyä on riittävästi kun sen jännite on vähintään 3 V (4*0,75V).) Kennoreaktiot ovat kaavoissa (1) ja (2). Laske tarvittava ilmamäärä polttokennolle. Lähteet: [1] Halinen, M. Polttokennot, energiatekniikan automaation luentokalvot. 2007. Saatavissa: http://automation.tkk.fi/attach/as-84-3134/halinen107.pdf [2] Teknologiateollisuus. Polttokennot. 2015. http://www2.teknologiateollisuus.fi/fi/palvelut/polttokennot- 3027.html

[3] Lainattu http://www.alternative-energy-news.info/technology/fuel-cells/ [4] Sørensen, Bent. Hydrogen and Fuel Cells Emerging technologies and applications. 2012. Oxford, United Kingdom: Academic Press. Elsevier Ltd. 2 nd Edition. ISBN: 978-0-12-387709-3. S. 482. (Knovel) [5] U.S. Department of energy. Site: Fuel cell technologies office. http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel-celltechnologies-office [6] Motiva. Sivusto: Liikenne. http://www.motiva.fi/liikenne Vierailtu: 13.7.2015. Fuel cells for road transportation purposes - Yes or no? (Article) McNicol, B.D. Rand, D.A.J. Williams, K.R. Hydrogen storage for fuel cell vehicles Hyun Tae Hwang, Arvind Varma Challenges in hydrogen storage (Article) Schüth, F.