DEE-5400 Polttokennot ja vetyteknologia Muut kennotyypit 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Alkaalipolttokennot Anodi: Katodi: H 4OH 4 H O 4e O e H O 4OH 4 Avaruussovellutukset, ajoneuvokäytöt Elektrolyyttinä alkaaliliuos (natrium-); kaliumhydroksidi Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Liikkuva elektrolyytti Kaliumhydroksidia kierrätetään pumpun avulla kennostossa. Anodille vety (kierrätettävä) Katodille syötetty ilma sisältää hiilidioksidia, mikä reagoi elektrolyytin kanssa Haitat CO 3 - Pumppujen tarve Korroosio KOH:n pieni pintajännitys Kennon asento rajallinen KOH CO KCO3 H O 3 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen Edut Elektrolyytti jäähdyttää Elektrolyytti homogeeninen Neutraali konsentraation muutoksille Helppo vaihdettavuus
Staattinen elektrolyytti KOH sitoutuneena matriisimetalliin asbesti Huokoinen Luja Korroosionkestävä Myrkyllinen Vaatii erillisen jäähdytyksen Kennon voi sijoittaa mihin asentoon tahansa Elektrolyyttiä ei tarvitse pumpata 4 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
AFC / elektrodit Sintrattu nikkeli Huokoinen ja mekaanisesti kestävä Raney metalli PTFE + nikkeliverkko 5 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Ongelmat ja kehitystyö AFC:n yksi keskeinen ongelma on hiilidioksidin reagointi elektrolyytin kanssa. OH - konsentraatio pienenee reaktiot hidastuvat Viskositeetti kasvaa konsentraatiohäviöt kasvavat Karbonaattisuola tukkii elektrodeja Hapen liukenevuus heikkenee aktivointihäviöt kasvavat Elektrolyytin johtavuus pienenee Joule häviöt Elektrodien toiminta heikkenee 6 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Fosforihappokenno Anodi: Katodi: H 4 H 4e 4e 4 H H O O - Toiminta PEM kennojen kaltainen - Elektrolyyttinä fosforihappo (T f = 4 0 C) - PTFE:llä sidotut platinakatalyytit - Virtauslevyt 7 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Fosforihappokenno (Cont.) Effect of pressure Effect of temperature V RT P ln 4F P 1 E 0 kun T, mutta Q P Q, ionijohtavuus E 0 V 63.5ln P P 1 V T 1 1.15( T T ) ( mv ) 8 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Fosforihappokenno (Cont.) Herkkä hiilimonoksidille Rikin poisto FAFC kennoista saatu paljon kenttäkokemusta Pääsääntöisesti 50 00 kw:n yksiköitä Tokyo Electric Power 11 MW Kennotyypin kehitystyö tähtää CHP käyttöön. 9 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Polttoaineen reformointi Metaani CH 4 HO 3H CO Yleisesti C H x H O x y H x y xco Prosessi tyypillisesti endoterminen T ~ 500 0 C Kuumia ulostulokaasuja voidaan hyödyntää CO ongelma PEM ja PAFC kennojen katalyytille CO Rikin poistaminen H O CO H 10 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Korkean lämpötilan polttokennot Etuja: Nopeat reaktiot Pt ei välttämättä tarvita Lämpöä voidaan hyödyntää reformoinnin yhteydessä CHP mahdollisuus Integrointi turbiinikäyttöön Fosforihappokennot: 00 kw CHP järjestelmät T ~ 00 0 C jalometallikatalyytit ei siedä CO:ta Sulakarbonaattikennot: Kiinteäoksidikennot: kiinteä elektrolyytti mekaanisesti yksinkertainen T ~ 700 1000 0 C 11 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen pitkä historia T ~ 650 0 C kennojen väsyminen lupaava CHP -sovelluksissa
Yhdistetyt järjestelmät Jos polttokennon toimintalämpötila on T F ja siihen on yhdistetty lämpövoimakone, päädytään samaan hyötysuhteeseen kuin jos polttokenno toimisi ympäristön lämpötilassa. Mitä tällä tarkoitetaan? 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Sulakarbonaattikenno (MCFC) Elektrolyytti alkaametallikarbonaattiseos (litium + kalium, litium + kalsium) Keraaminen matriisi, LiAlO CO 3 ionit hyvä ionijohtavuus Katodille tarvitsee syöttää CO :ta H 1 O CO H O CO 13 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Sulakarbonaattikenno (Cont.) Hiilidioksidin kierrätys Korkea T op katalyyttinä nikkeli /nikkelioksidi CO:ta voidaan hyödyntää polttoaineena E F g T op = 650 0 C Polttoaine g (kj/mol) E (V) Vety, H -197 1.0 CO -01 1.04 14 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Sulakarbonaattikenno (Cont.) Nikkelioksidin liukeneminen sulakarbonaattiin Polttoaineen sisäinen reformointi I ~ 100-00 ma/cm E ~ 750 900 mv V RT P ln 4F P 1 P Q akt., kompressoritarve T id ~ 650 0 C 15 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Kiinteäoksidikenno (SOFC) Elektrolyytti oksidi-ioneja johtavaa keraamista materiaalia, YO + Zr Yksinkertainen rakenne T op = 800 1000 0 C yhdistetyt järjestelmät Polttoaineena vedyn lisäksi myös CO Anodi: zirkoniumpohjainen metalli + keraami Katodi: strontium + lantaani-magnatiitti Ei CO :n muodostumista 16 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen