Polttokenno, miten se toimii?

Re: Polttokenno, miten se toimii?

ViestiKirjoittaja mikar » 09.11.2012 02:51

mietiskelin yksittäisessä polttokennossa,

kun vaikkapa läpilyönnin tapauksessa on kaksi eri ainetta eristeenä päällekkäin, niin vahvemman eristeen avulla päästään korkeammille jännitealueille heikommassa eristeessä, siis ennen kuin läpilyönti tapahtuu
mikar
 
Viestit: 563
Liittynyt: 17.09.2009 17:56

Re: Polttokenno, miten se toimii?

ViestiKirjoittaja Vipunen » 09.11.2012 13:32

PEM polttokennon jännite oli maksimiissaan vuonna 1999 TKK:n laboratoriossa tehtyjen mittausten perusteella 0,98 V eli sellaisen 80 prosentin hyötysuhteella toimivana. Jos kenno toimisi täydellä sadalla prosentilla, jännite olisi noin 1,23 V. Alkuvaiheessa kenno saattaa jopa toimia yli 1 V jännitteellä, mutta hetken käytön jälkeen eteen tulee vetyvastus, joka laskee kennon toimintajännitettä. Ohessa kennotekniikan "lyhyt historia" kymmenen vuoden takaa.

Peruskenno:

Vety-happi-polttokennon rakenne
Kennon kumpikin platinaelektrodi on upotettu liuokseen, joka sisältää hydroksidi- eli OH-ioneja, esim. kaliumhydroksidin (kaliumlipeää) KOH:n liuokseen.
Toista elektrodia huuhdotaan kaasumaisella hapella, toista taas vedyllä. Astian katkaiseva huokoinen seinämä päästää veden ja siihen liuenneet ionit lävitseen, mutta estää kaasujen välisen suoran kontaktin.
Vedyllä huuhdotulla eli vetyelektrodilla syntyy vettä reaktioyhtälön mukaan. Reaktiossa sen ohella syntyneet elektronit vaeltavat platinaan ja sitä kautta lankaa pitkin mahdolliseen käyttökohteeseen
Esim. sähkömoottoriin ja sitä kautta takaisin toiseen platinalevyyn, millä ne reaktio yhtälön mukaan pelkistävät happiatomeja..

Näin syntyy vedystä ja hapesta niiden välisessä redoxreaktiossa vettä ja reaktioentalpia muuttuu suoraan sähköenergiaksi.

2. Polttokenno 1982

Lämpöenergiaa muutettaessa sähköenergiaksi tapahtuu suuria energiahäviöitä. Parhaillakin lämpövoimaloilla hyötysuhde on vain 40%. Polttokennoissa palamisreaktion enltalpiamuutos saadaan suoraan sähköenergiana, jolloin hyötysuhde on parempi.

- Parhaiten kehitetty polttokenno on vety-happi-polttokenno.
- Siinä vetyä johdetaan kennon anodille ja katodille happea.
- Kummatkin elektrodit on huokoista grafiittia, jonka pinnalla on metallikatalyytti esim. platina.
- Elektrolyyttinä käytetään väkevää kaliumhydroksidi liuosta.

Elektrodireaktiot ovat:

Anodi: 2H2(g) + 4 OH- (aq) <<>> 4 H2O(l) + 4e-
Katodi: O2(g) + 2H2O(l) + 4 e- <<>> 4OH-(aq)
Kenno: 2H2(g) + O2(g) <<>> 2H2O(l)

Kennon käyttölämpötilä on 70 –140 C astetta, ja sen sähkömotoorinen voima on 0,9 V.

Vety-happi-polttokennoa on käytetty Gemini ja Apollo avaruusaluksissa ja reaktiossa muodostunut vesi käytettiin juomavetenä.

Polttokennon hyötysuhteen parantamiseksi on tehty paljon tutkimusta. Käytännön ongelmia ovat esimerkiksi riittävän hyvän kontaktin luominen tarvittavien kolmen faasin välille.
- kaasumainen polttoaine
- nestemäinen elektrolyytti
- kiinteät elektrodit
- katalyyttien korkea hinta
- korroosio-ongelmat

3. Polttokennot 1997

Polttokennoissa muunnetaan polttoaineen esim. vetykaasun, maakaasun, metaanin ja hiilimonoksidin palamisenergia eli kemiallinen energia suoraan sähköenergiaksi ilman pyöriviä koneita. Teoreettisesti pitäisi koko Gibbsin energian muutos deltaG olla saatavissa sähköenergiana. Tästä syystä on meneillään paljon tutkimustyötä toimivien polttokennojen kehittämiseksi. Tähän mennessä on polttokennoilla saavutettu jopa 60 – 70% hyötysuhteita, mikä on kaksi kertaa niin paljonkuin mekaanisilla lämpövoimalaitoksilla.

Alkalinen polttokenno

Tyypillisessä ns. alkalisessa polttokennossa johdetaan vetykaasua ja happikaasua kumpaakin oman huokoisen, katalyyttiä sisältävän hiilielektrodin läpi natriumhydroksidin tai kaliumhydroksidin väkevään vesiliuokseen. Kaasuja tuodaan jatkuvasti ja niistä muodostuu jatkuvasti vettä, joka höyrystyy pois kennon käyttölämpötilassa.
Alkalinen kenno vaatii polttoaineekseen täysin puhdasta vetykaasua, mikä tekee kennoista kalliin.
Polttokennolla on suuri sähköteho yksikön painoon ja tilavuuteen nähden. Hyvän hyötysuhteen lisäksi polttokennot ovat meluttomia ja lähes saasteettomia. Kennosta poistuva jäte on vesihöyryä.
Koska polttokennot ovat tähän asti olleet kallita, niitä on käytetty enimmäkseen avaruuslennoilla ja sotilaallisiin tarkoituksiin. Meluttomuutensa vuoksi ne soveltuvat esim. sukellusveneisiin.
Nyttemmin eripuolilla maailmaa, myös Suomessa, on koekäytössä polttokenno voimaloita sähkön- ja lämmöntuotannossa. Polttokenno voima voisi olla vaihtoehto ydin voimalle. Polttokennoja kehitellään myös ajoneuvojen voimanlähteeksi.

Fosforihappokenno

Tämän päivän voimalaitoksissa käytetään yleensä fosforihappokennoja.
Fosforihappokenno tarvitsee polttoaineeksi vetykaasua, jota saadaan parhaiten maakaasusta niin sanotussa reformointi yksikössä, jossa maakaasun sisältämä hiili yhtyy happeen muodostaen hiilidioksidia ja jäljelle jäänyt vety johdetaan polttokennoon.
Reformointiyksikkö kytketään polttokennon eteen.
Fosforihappo kennoissa jotka ovat lupaavampia voimalaitos käyttöön, on elektrolyyttinä kuuma 200 C asteinen kiinteään kantaja-aineeseen imeytetty väkevä fosforihappo.
Fosforihappokenno ei tarvitse niin paljon puhdasta vetykaasua kuin alkalinen kenno.
Kennossa vetymolekyylit hajoavat anodilla vetyioneiksi. Elektronit kulkevat johtoa pitkin katodille ja synnyttävät sähkövirran.
Katodille johdetaan ilmaa, joka sisältää happikaasua, joka ottaa vastaan anodilta tulevat elektrodit.
Elektrodeissa on materiaalina hiilikeraami, jonka pinnassa on ohut kerros katalyyttimetallia (platina). Vetyionit kulkevat katodille, jossa tapahtuu yhtyminen hapen ja elektronien kanssa vedeksi. Vesi kuplii höyrynä pois, mutta happo jää jäljelle.
Yhdestä kennosta saadaan kahden voltin jännite, joka nostetaan halutun suuruiseksi kytkemällä kennoja sarjaan.

Polttokennojen ikä on vajaat kymmenen vuotta ja hyötysuhde alussa n.40%. Hyötysuhde jää kaikkiaan näin pieneksi, koska kennon toimintalämpötila on niin alhainen ettei se voi toimia kombivoimalan osana.

Kombivoimala

eli ratkaisussa, jossa polttokennossa köyhtynyt kaasu hyödynnetään vielä kaasuturbiinissa ja lämpö höyryturbiinissa, saadaan yli 2/3 osaa polttoaineen energiasta muuttumaan sähköksi.
Tämäntyyppiset polttokennot soveltuvat pienimuotoiseen hajautettuun sähkön ja lämmön tuotantoon, kulutuskohteiden läheisyyteen maakaasuputken varrelle. Korttelin tai esim. suuren hotellin energiakeskus ovat tyypillisiä käyttötapoja.

Sulakarbonaattikenno
Tämä kenno asettaa käytettäville materiaaleille niin kovat vaatimukset, että niiden käyttäminen saattaa jäädä haaveeksi.

Kiinteäoksidikenno

Näiden kennojen valmistaminen sarjatyönä näyttää olevan hankalaa. Sen elektrolyytti on kiinteätä oksidia, jossa kide rakenteeseen on seostuksella aikaansaatu happipaikkoja. Hapen muodostamat ionit pääsevät korkeissa lämpötiloissa liikkumaan näiden tyhjien happipaikkojen välityksellä.

Polymeerielektrolyyttikalvokenno PEM

PEM-kennon ytimenä toimii erikoisrakenteinen muovikalvo, joka päästää lävitseen ainoastaan vetyionit (protonit).
Kalvon toisella puolella virtaa vety platinakatalyyttien ohitse, kun taas toisella puolella on ilmaa tai puhdasta happea. Protonit läpäisevät kalvon ja yhtyvät happeen muodostaen vettä, joka on ainoa reaktiosta syntyvä "jäte".
PEM-polttokennon (PEM = Proton Exchange Membrane, protoneja läpäisevä kalvo) toimintaperiaate on yhtä yksinkertainen kuin lupaavakin. Vedyn ja ilmakehän hapen välistä räjähdysreaktiota demonstroitaessa kuuluva voimakas pamahdus on koulun kemiantunneilta tuttu ilmiö, joka kuvaa kouriintuntuvasti vapautuvan energian määrää. Sama reaktio tapahtuu polttokennoissakin, mutta "kylmissä" olosuhteissa, ilman liekkien muodostusta.

PEM-kennon ytimenä toimii erikoisrakenteinen muovikalvo, joka päästää lävitseen ainoastaan vetyionit (protonit). Kalvon toisella puolella virtaa vety platinakatalyyttien ohitse, kun taas toisella puolella on ilmaa tai puhdasta happea. Protonit läpäisevät kalvon ja yhtyvät happeen muodostaen vettä, joka on ainoa reaktiosta syntyvä "jäte".
Osana reaktiota muodostuu ulkoisen virtapiirin kautta kulkeva elektronien virtaus – vedystä erkanee elektroneja yhdelle elektrodille, kun taas happi ottaa niitä vastaan toiselta elektrodilta. Tämä elektronien virtaus kykenee antamaan käyttövoimaa auton sähkömoottorille tai muulle sähköä kuluttavalle laitteelle.

Olemassaolevan polttoaineiden jakeluasemaverkoston korvaaminen vedyn jakelupisteillä tulisi liian kalliiksi, niinpä PEM-pioneerien suunnitelmissa on kehittää vety itse ajoneuvoissa.

Mieluisin polttoaine heille olisi metanoli, jota saataisiin helposti maakaasusta tai jopa uusiutuvista raaka-aineista, ja jonka jakelu tapahtuisi bensiinin tapaan. Ajoneuvoon tarvitaan "reformeri" eli muuntolaitteisto – eräänlainen kemiallinen pienoistehdas – metanolin hajottamista varten. Kehitteillä on myös polttokenno, joka kykenee käyttämään suoraan metanolia ilman kemiallisen muuntamisen tarvetta.
"Kaikkea on opeteltu, mutta kaikkea ei ole käsketty teherä".
Könnin mestari
Vipunen
 
Viestit: 345
Liittynyt: 02.10.2009 01:51

Re: Polttokenno, miten se toimii?

ViestiKirjoittaja penttinen » 13.11.2012 18:36

Kiitokset! tämä selvitti. Kuin olisi kurssilla ollut! :)
penttinen
 
Viestit: 779
Liittynyt: 16.09.2009 22:13

Re: Polttokenno, miten se toimii?

ViestiKirjoittaja siviili2003 » 14.11.2012 04:24

Mistä halpaa membraania siihen polttokennoon?

itselläni on ajatus että koska tarvitaan sellaista matskua joka imee ja luovuttaa tehokkaasti Protoneita, niin silloinhan luonnollisin materiaali olisi Kalkkikivi.

hmm. mitenkähän olis jos laitettais polttokennon membraaniksi kappale "Kipsilevyä" , siis paperilla tai jollain väliin laminoitua sammutettua kalkkia.

Ja elektrolyytiksi tietysti Kalsiumhydroksidi vesiliuosta.

# EDITTIÄ
Nappasin tähän alle vielä kommentin threadista Vetyä vedestä, jossa kerroin uudesta katalyytistä Nikkeliboraatti, joka korvaa kalliin Platinan.

jotain muutaman vuoden vanhoja uutisia linkistä: http://www.maritimeforum.fi/index.php?topic=14759.15



>Hyviä katalyytteja on jo tarjolla laitteen osaan, joka tuottaa vetyä.

Toistaiseksi on kuitenkin puuttunut edullinen ja kestävä katalyytti hapen tuottamiseen.

Tutkimuksessa kehitetty uusi katalyytti täyttää tämän puutteen.

Uusi katalyytti nostaa hapen tuotannon jopa 200-kertaiseksi aikaisempaan verrattuna, ja sen ansiosta voidaan luopua kalliin platinan käytöstä.

http://www.co2-raportti.fi/?heading=Tek ... ws_id=2549

Eli tuo ainoa pullonkaula -> Kalliin platinan pakollinen käyttö polttokennossa on poistunut.

Uusi lisensoitu katalyytti on nikkeliboraattia--> Nickel borate tai borax

http://co2-raportti.fi/?page=ilmastouut ... ws_id=2549

#
edit:

http://www.pnas.org/content/107/23/10337.abstract

Minulle ei ole vielä aivan selvää, missä osassa Nikkeliboraatti korvaa kalliin platinan??

sun catalyxin patentti:

http://www.google.com/patents/US2010010 ... ix&f=false

onkohan kuitenkin niin että ihan tavallinen rosteripellistä kyhätty elektrolyysi kenno ottaa kyllä riittävän tehokkaasti hapet ja vedyt vedestä, ja sitten näillä ihmeen kalliilla platina ja nikkeliboraatti kennoilla tehostetaan kennon toimintaa ykkös prosentteja...
Avatar
siviili2003
 
Viestit: 2908
Liittynyt: 16.09.2009 20:08

Re: Polttokenno, miten se toimii?

ViestiKirjoittaja Vipunen » 14.11.2012 11:32

Platinalla pinnoitetaan anodi ja katodi eli nikkeliporaatti korvaisi tällöin sen pinnoitteena.

Tuohon membraaliin käy myös huokoinen puu, puulevy, raaka peruna, paperi. Pääasia että erottaa puoliskot niin ettei aineet ja/tai kaasut pääse suoraan kosketukseen. Jos saisit kahvipakkauksen alumiinifolion pinnoittamiseen käytettyä muovikelmua, se on hyvin ohutta ja kestävää. Kontaktimuovin läpi ionit menee myös mutta materiaalina se on paksua. Säilytyskelmu saattaisi olla myös toimiva. Filmikalvo, sellukalvo, solukalvo... Jossain oon nähnyt ohjeet miten lennokkeihin tehdään numero ja merkkikalvoja lakalla tai liimalla muistaakseni veden pinnalla. Tälläinen kalvo jos ei ole kovin haurasta, saattaisi olla myös toimivaa...

Kokeilin joskus laittaa kessupussiin laimeaa suolahappoa talouspaperiin imeytettynä ja toiseen pussiin myös talouspaperiin imeytettynä lipeää. Kummastakin pussista sitten johtimet ulos ja lipeäpussin laitoin umpeen teipattuna sen jälkeen suolahappopussin sisään. Tämän jälkeen teippasin toisenkin pussin kiinni. Volttin verraan siitä tuli pitkän aikaa jännitettä.
"Kaikkea on opeteltu, mutta kaikkea ei ole käsketty teherä".
Könnin mestari
Vipunen
 
Viestit: 345
Liittynyt: 02.10.2009 01:51

Edellinen

Paluu Fysiikka

Paikallaolijat

Käyttäjiä lukemassa tätä aluetta: Ei rekisteröityneitä käyttäjiä ja 2 vierailijaa

cron