Polttokennoautot

Sähkön käyttäminen auton energiana vaatii joko sähkön varastoimista autossa tai sähkön johtamista autoon johtimilla. Sähköä voidaan myös tuottaa autossa polttokennossa monilla eri reaktioaineilla.

Polttokennolla tarkoitetaan polttoainekennoa (Fuel Cell), jossa syntyy sähköenergiaa, kun reaktioaine reagoi hapen kanssa. Kennossa ei tapahdu varsinaista palamista vaan hapetus- ja pelkistysreaktioita. Polttokennon toimintaperiaate on keksitty jo 1800-luvun alkupuolella, ja yksi eksoottisimmista käyttökohteista on ollut avaruusalukset 1960-luvulta alkaen.

Polttokennot ovat olleet harvinaisia arkipäiväisissä sovelluksissa korkeiden valmistuskustannustensa takia, mutta viime vuosina yhä useampi autonvalmistaja on esitellyt polttokennokäyttöisiä kokeilumallejaan. Monet merkit myyvät tai vuokraavat jo polttokennoautoja rajatuille käyttäjäryhmille tai yrityksille niillä alueilla, joissa vetyä on saatavilla. Polttokennot nähdään myös tulevaisuuden voimanlähteinä kannettavissa elektronisissa laitteissa ja suuremmassa mittakaavassa voimalaitoksissa.

Polttokennon rakenne

Rakenteeltaan polttokenno muistuttaa akkua, koska siinä on anodi ja katodi, mutta toisin kuin suljetussa akussa, reaktioainetta ja hapetinta lisätään ulkopuolisesta lähteestä. Reaktioaine hapettuu eli luovuttaa elektronin anodilla. Hapettimena toimii yleensä ulkoilman sisältämä happi. Sähkövirran synnyttämät elektronit johdetaan anodilta ulkoista piiriä pitkin katodille, jossa hapetin pelkistyy, eli ottaa vastaan elektronin. Ulkoiseen piiriin voi kuulua esimerkiksi auton ajamiseen käytettävä sähkömoottori. Sähköenergian lisäksi kennon reaktiossa syntyy lämpöä, jota hyödyntämällä voidaan parantaa polttokennon hyötysuhdetta.

Anodin ja katodin välissä on elektrolyytti, joka on kaasutiivis ja näin ollen estää reaktioaineen ja hapettimen suoran sekoittumisen ja palamisen, mutta päästää anodin ja katodin välillä liikkuvat ionit läpi. Elektrolyytti voi olla joko kiinteässä tai nestemäisessä olomuodossa. Matalassa lämpötilassa toimivan polttokennon anodi ja katodi sisältävät yleensä katalyyttejä, jotka nopeuttavat reaktioita.

Katalyyttinä käytetään muun muassa platinaa, minkä takia polttokennojen valmistuskustannukset ovat korkeat. Yhden polttokennon tuottama jännite on suhteellisen pieni, alle yksi voltti. Kennoja voidaan kytkeä akkujen tapaan sarjaan jännitteen nostamiseksi, jolloin saadaan aikaan kennosto.

Polttokennolla voidaan tuottaa sähköenergiaa pitkäaikaisesti, koska reaktioainetta ja hapetinta voidaan lisätä ulkopuolisesta lähteestä. Näin ollen polttokennoautoilla voidaan ajaa pidempiä matkoja kuin akkusähköautoilla, ja energian lataaminen tapahtuu akkujen lataamista paljon nopeammin.

Yksi polttokennon hyvistä puolista autokäyttöä ajatellen on sen hyvä hyötysuhde varsinkin pienellä kuormituksella. Polttokennon hyötysuhde on sitä parempi, mitä pienemmällä teholla ja matalammassa lämpötilassa toimitaan. Polttomoottorissa tilanne on päinvastainen, sillä parhaat hyötysuhteet saavutetaan korkeissa lämpötiloissa ja suurella teholla. Kun bensiinikäyttöisen polttomoottorin todellinen hyötysuhde vaihtelevassa ajossa on noin 15–20 prosenttia, päästään vetypolttokennolla yli 50 prosentin todelliseen hyötysuhteeseen, ja sen laskennallinen maksimihyötysuhde voi olla yli 80 prosenttia. Koska suuri osa henkilöautolla ajosta tapahtuu juuri osittaisella kuormituksella, käytännön ajotilanteita ajatellen polttokennon hyötysuhde on käytännössä selvästi parempi kuin polttomoottorin.

Polttokennojen luokittelu

Polttokennoissa voidaan teoriassa käyttää polttoaineena mitä tahansa nestemäistä tai kaasumaista ainetta, joka pystyy hapettumaan. Polttoaineena käytetään kuitenkin yleensä vetyä ja hapettimena suoraan ilmasta saatavaa happea, koska niiden reaktionopeudet ovat korkeat, eikä reaktiossa synny ongelmallisia sivutuotteita. Polttokennoja valmistetaan erilaisiin käyttötarkoituksiin, ja ne voidaan luokitella elektrolyyttimateriaalien ja toimintalämpötilan mukaan.

Autoissa käytetään yleensä matalassa lämpötilassa toimivia polttokennoja. Näihin vetyä reaktioaineenaan käyttäviin alle 250 celsiusasteessa toimiviin polttokennoihin kuuluvat polymeeripolttokennot (PEFC), jossa elektrolyyttinä on kiinteä polymeerikalvo.

Polymeeripolttokenno toimii noin 80 °C lämpötilassa, ja sen katalyyttinä käytetään platinaa. Alkalipolttokennoissa (AFC) käytetään elektrolyyttinä alkaleita, kuten natriumhydroksidia tai kaliumhydroksidia. Katalyyttinä voidaan käyttää hopeaa tai nikkeliä, ja toiminta tapahtuu noin 70 °C lämpötilassa.

Fosforihappopolttokennoissa (PAFC) käytetään elektrolyyttinä fosforihappoa ja katalyyttinä platinaa. Fosforihappopolttokennot toimivat 150–220 °C lämpötilassa.
Metanolia käyttävät matalalämpöiset polttokennot ovat yleensä polymeeripolttokennoja. Metanolia käytetään polttokennojen polttoaineena sen helpon käsiteltävyyden takia.

Korkealämpöisiä polttokennoja käytetään lähinnä paikallisessa sähköntuotannossa. Näihin yli 600 celsiusasteen lämpötiloissa toimiviin polttokennoihin kuuluvat sulakarbonaattipolttokennot (MCFC), joiden elektrolyyttinä toimii keraaminen alkalikarbonaattiseos. MCFC toimii vedyn lisäksi kevyillä hiilivetypolttoaineilla, kuten metaanilla. Kiinteäoksidipolttokennon (SOFC) elektrolyyttinä käytetään myös keraamista materiaalia, joka on yttriumilla stabiloitua zirkoniumia. Katalyyttinä käytetään nikkeliä ja reaktioaineena voidaan käyttää vedyn lisäksi hiilimonoksidia ja metaania.

Hiilivetyjä käytettäessä vety saadaan erotettua niistä reformoinnilla.
Uusiutuvista energialähteistä puhuttaessa mainitaan joskus myös sokereja ja alkoholia reaktioaineenaan käyttävät painotekniikalla valmistetut biopolttokennot, mutta toistaiseksi niitä suunnitellaan pienessä mittakaavassa lääketieteen ja elintarviketeollisuuden tunnistustekniikan käyttöön.

Polttokennojen tulevaisuus autoissa

Polttokennoautoista puhuttaessa tarkoitetaan useimmiten vetyä reaktioaineenaan käyttäviä polttokennoja. Vedyn käyttöä puoltaa sen puhtaus, polttokennosta vapautuu vetyä käytettäessä sähköenergian lisäksi ainoastaan vettä ja lämpöenergiaa.

Koska reaktio tapahtuu matalassa lämpötilassa, typen oksidien ja hiukkaspäästöjen synty on hyvin vähäistä myös hiilivetyjä käytettäessä. Silloin päästöinä syntyy veden lisäksi hiilidioksidia. Polttokenno on myös lähes äänetön, mikä vähentää liikenteen meluhaittoja ja antaa mahdollisuuden keventää auton äänieristystä.

Akkusähköautoon verrattuna polttokennoauton energiavaraston täyttö on nopeampaa, useimpia reaktioaineita voi tankata yhtä nopeasti kuin bensiiniä. Polttokennon hyötysuhde on noin 50 prosenttia, mikä on selvästi polttomoottoreita parempi. Akkusähköauton hyötysuhde on kuitenkin yli 90 prosenttia. Vetyä reaktioaineena käytettäessä joudutaan hyväksymään se, että vedyn valmistamiseen kuluu paljon sähköenergiaa, mikä huonontaa vetypolttokennon kokonaishyötysuhdetta.

Ennen vetypolttokennojen yleistymistä autoissa pitää ratkaista se, mistä niihin saadaan uusiutuvalla energialla tuotettua vetyä reaktioaineeksi. Jos vetyä voidaan valmistaa vedestä tuuli-, vesi- tai aurinkoenergialla, päästään hyvin pieniin autoilun kokonaispäästöihin, eikä silloin olla riippuvaisia fossiilisista polttoaineista.

Vedyn ongelmina ovat myös hankala varastointi paineistettuna tai matalassa lämpötilassa nesteytettynä. Vetyä voidaan varastoida myös metallihydridiin, eli sitouttaa se metallijauheeseen, tosin silloin vetyvarastosta tulee hyvin painava. Hiilestä valmistetut nanoputket voivat tulevaisuudessa ratkaista paino-ongelman vedyn turvallisessa varastoinnissa.

Polttokennojen tuotantokustannukset pitäisi myös saada pienemmiksi, ja siihen yksi ratkaisu olisi löytää platinaa edullisempi katalyytti. Platina on myös herkkä hiilimonoksidille, jota syntyy hiilivetyjä reaktioaineena käytettäessä. Uusia katalyyttejä kehitetään kuitenkin koko ajan, joten polttokennon hinta tulee todennäköisesti laskemaan tulevaisuudessa, ja polttokennoautoja alkaa tulla markkinoille.