polttokennojärjestelmissä

Polttokennojärjestelmät ovat laitteita, jotka muuntavat kemiallisen energian suoraan sähköenergiaksi käyttämällä polttoainetta ja hapetinta. Toiminta perustuu elektrolyyttiin ja elektrodeihin, joiden välissä elektronit siirtyvät ulkoisen virtapiirin kautta ja synnyttävät sähkövirtaa. Kun polttoaineena käytetään esimerkiksi vetyä ja hapettimena ilmaa, järjestelmän tuotteena ovat sähkö sekä vesi ja lämpö. Eri polttoaineilla ja prosesseilla päästöt voivat vaihdella.

Rakenne ja toimintaperiaate: Pääkomponentteja ovat polttokennojen kennosto (stack), polttoaineen syöttöjärjestelmä sekä hapettimen toimitus, jäähdytys ja järjestelmän hallintaa sekä balanssijärjestelmä (Balance of Plant, BOP), joka hoitaa neste- ja lämpötilanhallinnan sekä ohjauksen. Järjestelmä voidaan mitoittaa pieniin mobiili- tai suuriin teollisiin käyttökohteisiin.

Tyypit ja suorituskyky: Yleisimmät tyypit ovat PEMFC (protonivaihtokenno), SOFC (keraaminen korkean lämpötilan polttokenno) sekä DMFC (direct methanol fuel cell). PEMFC toimii matalissa lämpötiloissa, noin 60–100 °C, ja soveltuu moniin kaupallisiin sovelluksiin sekä ajoneuvoihin. SOFC toimii korkeissa lämpötiloissa, noin 600–1000 °C, ja soveltuu suuritehoisiin stationary-sovelluksiin. DMFC käyttää suoraan metanolia, mutta sen hyötysuhteet ja polttoaineenkäytön haasteet ovat erilaiset. Elektrisen hyötysuhteen on tyypillisesti noin 40–60 prosenttia, ja lämpöä hyödyntämällä kokonaisjärjestelmän hyötysuhde voi olla huomattavasti korkeampi.

Edut ja haasteet: Polttokennojärjestelmät tarjoavat pienemmät päästöt ja hiljaisen, modulaarisen energiantuotannon vaihtoehdon sekä nopean käynnistymisen. Haasteisiin kuuluvat korkeat kustannukset, katalyytin ja materiaalien kestävyys sekä infrastruktuurin ja polttoaineen saatavuuden vaatimat kehitystarpeet. Lisäksi polttoaineen laatu ja järjestelmän kestävyys vaikuttavat suorituskykyyn ja elinkaareen.

Sovellukset: Käyttökohteita ovat sekä ajoneuvo- että stationary-sähköntuotantotarkoitukset, varavoima- ja hajautetut energiaverkot sekä teolliset prosessit. Tutkimuksessa kehitetään uusia polttoaineita, kodoja ja järjestelmäarkkitehtuureja, jotta kustannukset alenisivat ja kestävyys paranisi.