Ajankohtaista

polttokennotutkimusta.jpg

Polttokennot saavat poweria nanosta

20.12.2011

Aalto-yliopiston polttokennotutkimus astui nanoaikaan, kun neljä saman kampuksen tutkijaryhmää löi viisaat päänsä yhteen.

Aalto-yliopistossa tehdään polttokennojen osien optimointiin ja ilmiöiden ymmärtämiseen keskittyvää tutkimusta. Dosentti Tanja Kallion vetämä ryhmä tutkii Kemian laitoksella muun muassa suorametanolipolttokennoja, joissa on hiilielektrodit ja niiden välissä kiinteä polymeerielektrolyyttikalvo. Anodille syötettävä metanoli hapettuu eli luovuttaa elektroneja, jotka kulkeutuvat ulkoista virtapiiriä pitkin katodille. Siellä ne ottaa vastaan pelkistyvä happikaasu.

Kaupalliseen sovellukseen on vielä matkaa, sillä kennojen maksimitehotiheydessä on päästy vasta 50 milliwattiin neliösenttiä kohti, Tanja Kallio kertoo.

Metanolin hapettumiseen vaaditaan jalometallikatalyytti, joka kiinnitetään hiilianodin pintaan. Kallion ryhmä testaa hiilinanokuiduista ja -putkista valmistettuja anodeja, joilla saavutetaan suurempi pinta-alan ja tilavuuden suhde kuin perinteisillä, amorfisesta hiilijauheesta tehdyillä anodeilla.

”Kun reaktiopinta-alaa on enemmän, hapettuminen tehostuu, ja kallista jalometallikatalyyttiä tarvitaan vähemmän. Hiilinanomateriaalit ovat myös kestävämpiä kuin amorfinen hiili, mikä nostaa kennon käyttöikää.”

Jos anodireaktio saadaan etenemään tehokkaasti, polttoaineena voidaan käyttää metanolia suurempia molekyylejä, esimerkiksi bioetanolia tai biodieselvalmistuksen sivutuotteena muodostuvaa glyserolia.

Epätäydellisen hapettumisen tuotteina muodostuu muun muassa aldehydejä, joita ei kennoon kaivata. Kun hapettuminen on täydellistä, tuotteina on vain hiilidioksidia ja vettä, ja pienemmällä määrällä polttoainetta saadaan aikaan enemmän energiaa.

Yhteistyö on voimaa

Hiilinanokuidut ja -putket valmistuvat professori Esko Kauppisen johdolla. Molemmat koostuvat grafeenikerroksista, mutta putkissa kerrokset kiertyvät rullalle sisustan jäädessä ontoksi, kun taas kuiduissa kerrokset pakkautuvat päällekkäin. Kuidut ja putket funktionalisoidaan esimerkiksi karboksyylihapporyhmillä, ja sen jälkeen niihin kiinnitetään katalyytiksi platina-ruteniumnanohiukkasia. Professori Outi Krausen johtamat tutkijat kiinnittävät katalyyttejä funktionalisoituihin hiilinanomateriaaleihin atomikerroskasvatus- eli ALD-tekniikalla ja professori Sami Franssilan ryhmä valmistaa mikropolttokennoja.

”Meillä on erinomainen ketju, joka koostuu materiaalien valmistajista ja niiden testaajista. On hienoa tehdä yhteistyötä oman kampuksen väen kanssa”, Tanja Kallio kiittää. Ryhmät löysivät toisensa Aalto-yliopiston MIDE-rahoituksen puitteissa.  Digitalisoitumisen ja energiateknologian tutkimusohjelma – Multidisciplinary Institute of Digitalisation and Energy (MIDE) –on koonnut Otaniemen kampuksen sisällä yhteistyökonsortioita tavoitteenaan saavuttaa synergiaetuja projektien suunnittelussa, läpiviennissä ja tulosten hyödyntämisessä.

Kirjoittaja on kemian tekniikan tohtori, joka työskentelee tutkijana Aalto-yliopistossa.

maija.pohjakallio [at] aalto [dot] fi

Takaisin