Muut regeneroitavat polttokennot ja akut

Akkujen ja polttokennojen kemialliset reaktiot voivat olla hyvin samankaltaisia. Akuis-sa kuitenkin elektrodit oAkuis-sallistuvat kemialliseen reaktioon joko kokonaan tai osittain ja akut voidaan ladata sähköisesti. Uudet virtausakut tai redoksiakut ja uudelleen varatta-vat regeneroitavaratta-vat, nestemäisillä reaktanteilla varustetut polttokennot ovaratta-vat samaa tek-niikkaa eikä selkeätä eroa akun ja polttokennon välillä tässä tapauksessa voida tehdä.

Käytettävä nimitys riippuu lähinnä valmistajasta.

Virtausakuissa (Flow Battery) ja regeneroivissa polttokennoissa varsinaisena teholäh-teenä on akkuyksikkö/polttokenno, mutta energiavarastona on periaatteessa elektrolyyt-tisäiliö, joka voi olla minkä suuruinen tahansa ja sijaita halutussa paikassa. Virtaus-termi tulee elektrolyyttien kierrätyksestä kennon ja varastointisäiliön välillä. Elektro-lyyttiä voidaan siis vaihtaa ja regeneroida. Elektrolyytit (esim. ZnBr, VBr tai NaBr) kiertävät omissa kennonosissaan ja elektronien vaihto tapahtuu kennon osien välissä olevan ioninvaihtokalvon tai kerroksen läpi. Käytännössä järjestelmä muodostuu useista toisiinsa linkitetyistä kennoista, joissa kiertää sama elektrolyytti, joten kennojen varaus on samansuuruinen (Kuva 40).

Kuva 40. Virtausakun kennojärjestelmä [63].

Kokonaisuutena järjestelmä on erittäin joustava (Kuva 41). Tehon määrää kennojen rakenne ja lukumäärä ja energian elektrolyyttisäiliöiden koko. Järjestelmän rakenne voi olla integroitu tai varastointitankit ja ohjauselektroniikka voivat sijaita halutussa paikas-sa erillään kennoista. Järjestelmälle on tyypillistä hyvä pätötehon varastointikyky mutta huonompi loistehon tuotto. Järjestelmän koko voi olla esim. luokkaa 5–500 MW tai enemmän ja varastointiaika muutamasta sekunnista useisiin kymmeniin tunteihin.

Kuva 41. Esimerkki virtausakun / regeneroitavan polttokennojärjestelmän konstruk-tiosta [63].

2.8.2.1 Vanadium-redoksivirtausakku

Vedyn ja hapen tilalla voidaan käyttää muitakin materiaaleja kuten sinkki ja bromi tai sinkki ja vanadiumoksidi. Aktiiviset materiaalit reagoivat, kun niillä on tilaisuus vaihtaa protoneja elektroneja johtamattoman elektrolyytin läpi ja synnyttävät sähkökemiallisen reaktion aikaansaaman virran kuorman läpi. Tällaisia hapetus-pelkistysreaktioon perus-tuvia akkujärjestelmiä kutsutaan redoksiakuiksi.

Redoksiakut varastoivat energiaa positiiviseen ja negatiiviseen elektrolyyttiin, joka voi olla esim. vanadiumin rikkihappoliuosta. Kun vanadiumliuosta kierrätetään pumppaa-malla varastointitankista akkukennoon, vanadium-ionin valenssi vaihtuu aiheuttaen varautumisen ja purkautumisen (Kuva 42). [62]

Kuva 42. Vanadium-redoksivirtausakun toimintaperiaate. [62]

Redoksiakku voi koostua useista (esim. 100 kpl) erillisistä (Kuva 43) kennoista. Kaikis-sa kennoisKaikis-sa kiertää Kaikis-sama elektrolyytti, joten varauKaikis-saste on kaikilla kennoilla Kaikis-sama.

Kuva 43. Redoksivirtausakun rakenne-esimerkki. [62]

Redoksiakuilla on pitkä elinikä ja nopea vaste. Redoksiakkujen energiatiheys tulee to-dennäköisesti olemaan suurempi kuin reversiibeleiden polttokennojen mutta jää silti pienemmäksi kuin useimpien akkujen. Vanadium-redoksiakkuja on kehitetty Australias-sa ja JapanisAustralias-sa ja niitä on ollut Australias-saatavisAustralias-sa jo useamman vuoden ajan. Pieniä redoksiak-kuja tultaneen käyttämään sähköajoneuvoissa. Suurempia redoksiakredoksiak-kuja ja -järjestelmiä voidaan käyttää esim. kuormitusten tasaukseen, varavoimana, jännitekuo-pan hallintaan sekä tuuli- ja aurinkovoimalan tuotannon tasaukseen. Suuret, jopa satojen MWh:n akut ovat nyt kehitysvaiheessa.

2.8.2.2 Sinkki-ilma-tyyppinen regeneroitava polttokenno

Regeneroivassa ZRFC (Zinc Regenerative Fuel Cell) -sinkki-ilmapolttokennossa [55]

on polttoaineena sinkkipelletit. Kun polttokennon sähkökemiallisessa reaktiossa syntyvä sähköenergia on varastoitu, sivutuotteena syntyvä sinkkioksidi regeneroidaan elektroly-saattorissa automaattisesti takaisin sinkiksi. Kemiallinen reaktio on sama kuin sinkki-ilma-akuissa mutta polttokennolle tyypillistä on, että polttoaine on erillisessä tankissa, johon polttoainetta voidaan lisätä ja josta sitä voidaan ottaa tarvittaessa ja polttokennon kemiallisessa reaktiossa syntyvä sinkkioksidi voidaan regeneroida takaisin sinkiksi eril-lisessä elektrolysoimislaitteessa (Kuva 44).

Kuva 44. ZRFC-polttokennon purkaus-regenerointitoiminnot. [56]

Järjestelmässä on sinkkianodi ja ilmakatodi ja sinkkipartikkelit muodostavat pedin, jo-hon kaliumhydroksidiliuos (KOH) johdetaan (Kuva 45). Kaliumhydroksidiliuos vie myös mukanaan lionneen sinkkiaineksen ja pitää elektrodien aktiivisen alueen puhtaana.

Kuva 45. Sinkki-ilmapolttokennon rakenne. [55]

Sinkkianodilla tapahtuva reaktio:

e OH

Zn OH

Zn+4 ⁻ → ( )²₄⁻ +2 (7)

Ilmakatodilla tapahtuva reaktio:

→ −

+

+H O e OH

O 2 2

2 1

2

2 (8)

jossa happi saadaan elektrodin takapuolelta johdetusta ilmasta ja polttokennon koko-naisreaktio on:

→ −

Regenerointiprosessin aikana liuennut sinkkioksidi ja elektrolyytti johdetaan polttoai-netankista elektrolysoimislaitteeseen (Kuva 46) ja käänteinen kokonaisreaktio on vas-taavasti:

Regenerointiaika on n. viisi kertaa täyden kuorman purkausaika. Polttokennon toimin-talämpötila on 0–40 °C. Järjestelmän kokonaishyötysuhde on 30–50 % mukaan lukien elektroniikan, pumppujen ja puhaltimien häviöt. Järjestelmä on ympäristöystävällinen, sillä sinkki ja sinkkioksidi ovat myrkyttömiä materiaaleja ja päästöinä syntyy happea ja vettä.

Kuva 46. Sinkki-ilmapolttokennolaitteiston päätoiminnot.[55]

Regeneroitava polttokenno voi olla myös kaksitoimintainen, akkutyyppisesti sähköisesti uudelleenvarattava (50 % kapasiteetti) tai polttokennotoimintainen ja mekaanisesti uu-delleenvarattava, kun sinkkianodit vaihdetaan (100 % kapasiteetti) [61].

2.8.2.3 Sinkki-bromidi-virtausakku

Sinkki-bromidiakuissa (ZnBr2) kaksi eri elektrolyyttiliuosta on erotettu toisistaan mik-rohuokoisella polyolefiinimembraanilla (vrt. Kuva 47). Elektrodit ovat hiilikomposiit-timuovia. Akun purkautuessa Zn- ja Br-ionit reagoivat sinkkibromidiksi ja aiheuttavat 1,8 V jännitteen. Purkauksen aikana Zn- ja Br-ionitiheys kasvaa molemmissa elektro-lyyttitankeissa. Latauksen aikana sinkki muodostaa ohuen kalvon toisen elektrodin

pin-nalle, kun taas bromidi-ionit reagoivat orgaanisten amiinien kanssa toisessa elektrolyyt-titankissa muodostaen öljymäistä bromidiyhdistettä. Toisin kuin esimerkiksi lyijyakus-sa, ZnBr2-akun elektrodit eivät osallistu reaktioihin, minkä vuoksi akkujen latauskyky ei huonone kuten useissa muissa ladattavissa akuissa. Lisäksi täysin puretun akun voi jät-tää määrättömäksi ajaksi ilman käyttöä.

ZnBr2-akun hyötysuhde on noin 75 % ja sen energiatiheys painoyksikköä kohden on 2–

3-kertainen (75– 85Wh/kg) lyijyakkuun verrattuna. Lisäksi nykyisten ZnBr2-akkujen elinikä on noin kymmenen kertaa suurempi (n. 2 000 latausta täydelle kapasiteetille) ja latausaika 3–4 kertaa pienempi (n. 2–4 tuntia) kuin lyijyakuilla.

Sinkkibromidiakut on kehittänyt Exxon 1970-luvulla. Nykyiset järjestelmät on tarkoi-tettu lähinnä sähkön kysynnän hallintaan. ZBB Energy Corp. [19] on kehittänyt 50 kWh moduuliakun, jonka sovelluskohteita ovat UPS ja uusiutuvan energian varastointi. ZBB on toimittanut kaksi 400 kWh järjestelmää ja yhden 500 kWh järjestelmän, joista kaksi on Australiassa ja yksi USA:ssa. 500 kWh:n järjestelmä on asennettu aurinkosähkövoi-malan yhteyteen Australiassa vuonna 2000. Toinen 400 kWh järjestelmä leikkaa sähkön kulutushuippuja paikallisessa sähköverkossa.

- +

Zn²⁺

Br

-Zn²⁺

Br ^- Br₂ Zn²⁺

Br

-Zn²⁺

Br -Elektrodi

Membraani

Br₂-kompleksit vajoavat pohjaan Lataus: Zn²⁺+ 2e ^- → Zn

Purkaus:Zn→Zn²⁺+2e

-Lataus: 2Br → Br₂(aq)+2e

-Purkaus:Br₂(aq)+2e ^-→2Br -Kuva 47. Sinkki-bromidi-virtausakun toimintaperiaate [16]

2.8.2.4 Polysulfaatti-bromidi-virtausakku

Polysulfaatti-bromidiakku toimii regeneroitavan polttokennon toimintaperiaatteen mu-kaisesti. Kennoissa tapahtuu reversiibeli sähkökemiallinen reaktio kahden suolaliuos-elektrolyytin (natriumbromidin ja natriumpolysulfaatin) välillä. Kennosta saatava teho ja energian määrä eivät riipu toisistaan (Kuva 48). Kennon eri osissa virtaavat elektro-lyyttiliuokset erottaa polymeerimembraani, jonka läpäisee vain positiivinen natriumioni.

Kennojännite on 1,5 V. Kennoja voidaan kytkeä sähköisesti joko sarjaan tai rinnan tar-vittavan jännite- ja virtatason saavuttamiseksi. Kokonaishyötysuhde on 75 %:n luokkaa.

Regenesysin toimittama 15 MW:n ja 120 MWh:n järjestelmä on rakenteilla ja 12 MW:n 120 MWh:n järjestelmä on suunniteltu rakennettavan.

Kuva 48. Polysulfaatti-bromidi-virtausakun toimintakaavio [63].