Tentin tekstisisältö

SMG-4350 — Polttokennot ja vetyteknologia
Tentti 11.5.2009 Risto Mikkonen

1. Millä tavalla määritetään lämpövoimakoneen Camot'n hyötysuhde? Polttokennon hyötysuh-
detta ei voida määrittää vastaavalla tavalla — miksi? Seltä edelleen, miten hyötysuhde poltto-

kennolle on esitettävissä?

2. PEM —-metanolipolttokennon anodilla tapahtuu seuraava reaktio
CH,OH + H,0>6H* +6e +CO,

Määritä kennon ideaalinen tyhjäkäyntijännite, kun reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden Gibbs-

in vapaan energian muutos on -698.2 kJ/mol (Faradayn vakio F = 96485 C)
3. Avagadron laki ideaalikaasuille voidaan esittää muodossa: 22.4 litraa jokaista kaasua sisäl-

tää normaaliolosuhteissa 6.02 x 10* molekyyliä. Tarkastellaan pinta-alaltaan 10 cm?:n poly-

meerikennoa, jonka vedyn kulutus on 0.0031 cm/s. Kennossa tapahtuvat reaktiot ovat

2H, >4H*+4e" anodi
0,+4e€ +4H* >2H,0 katodi

Mikä on kennon virrantiheys, kun vetyä voidaan pitää ideaalikaasuna?
4. Polttokennon toimintajännite tietyllä virrantiheydellä i voidaan esittää summalausekkeena

iti, iti,

 

 

V=E-(i+i,)r-Aln( )+ Bln(1- )

19 a

Analysoi oheisen lausekkeen perusteella polttokennossa tapahtuvia häviöitä.

KÄÄNNÄ
Tee selkoa alkaalipolttokennojen elektrolyytistä sekä käytetyistä elektrodeista.

Selitä seuraavat polttokennoteknologiaan liittyvät termit

2) «

b)
9)
d)
e)
n

aktiivisuus
stoikiometrinen kerroin
kastepiste

CHP -järjestelmä

BOP järjestelmä

fulleriini
SMG-4350 — Polttokennot ja vetyteknologia

Tentti 5.10.2009 20 Risto Mikkonen

 

Laskimen käyttö sallittu.

2a)

2b)

Millä tavalla termodynamiikan käsitteet entalpia ja Gibbsin vapaa energia kytkeytyvät polt-
tokennojen toimintaan ja polttokennon hyötysuhteeseen? Lähtien liikkeelle sisäenergian ja

entalpian määritelmistä, johda edelleen seuraava Maxwellin yhtälö

[a7), (5)

Polttokennon toimintajännite tietyllä virrantiheydellä i voidaan esittää summalausekkeena

 

 

voroGairo am |+3) mm |1-5%]

4 15 n
k
Analysoi oheisen lausekkeen perusteella polttokennossa tapahtuvia häviöitä.

Tarkastellaan polttokennon anodilla ja katodilla tapahtuvia reaktioita

2H, >4H'*+4e" |
0,+4e +4H* 52H,0

Määritä katodilla käytetyn hapen määrä (kg/s), kun kennoston teho on 1 kW ja yhden ken-
non kennojännite on 0.8 V. (Hapelle 1 mol/s = 32 x 10? kg/s ja Faradayn vakio F = 96 485

O).

Alkaalipolttokennoissa käytetyt elektrodit ja elektrolyytit.

KÄÄNNÄ!
Mitä ymmärretään polttokennojen yhteydessä ns. yhdistetyillä järjestelmillä? Jos esimerkik-
si SOFC-kennon toimintalämpötila on TF osoita, että edellä mainituissa yhdistetyissä jär-

jestelmissä maksimihyötysuhde on

AG,

Nimax = AH

missä TA viittaa ympäristön lämpötilaan, AG on Gibbsin vapaan energian muutos ja AH ent-

alpian muutos.

Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin. Oikea vastaus antaa yhden pisteen kukin,

väärä vastaus yhden miinuspisteen. Vastaamatta jättäminen antaa nolla pistettä.

a) PEM -kennon katalyytti on herkkä hiilidioksidille.

b) Vety soveltuu katalyyttiseen polttoon matalassa lämpötilassa.

€) Ns. Raney-metalli toimii SOFC -kennon elektrolyyttinä korkean lämpötilakes-
toisuutensa johdosta.

d Kaasu- tai nestemäisten hiilivetyjen höyryreformoinnissa syntynyt synteesikaasu

sisältää tilavuudeltaan yli puolet vetyä.
e) Polttokennon ohmiset häviöt ovat erityisen merkityksellisiä alkaalikennoilia.

f Kirjainlyhenne BOP tarkoittaa polttokennoon liittyviä oheislaitteita.
SMG-4350 Polttokennot ja vetyteknologia
Tentti 29.9.2008 Risto Mikkonen

 

Laskimen käyttö sallittu.

1. Esitä polttokennon toimintakäyrä (kennojännite vs. virrantiheys) kahdessa eri toimintaläm-
pötilassa, (a) noin 40 9%C ja (b) noin 800 "C. Selvitä käyrien avulla polttokennossa syntyviä
häviöitä.

2. PEM —metanolipolttokennon anodilla tapahtuu seuraava reaktio

CH,OH + H,0>6H*+6e +CO,

Määritä reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden Gibbsin vapaan energian muutos, kun saatu ken-
nojännite on 0.605 V ja tiedetään, että kennon hyötysuhde on 50 %. Faradayn vakio F =
96485 C. Määritä edelleen kennon virta, mikäli polttoaineen kulutus on 1.4 x 107 mol/s ja

polttoaineen entalpian muutos AH = -900 kJ/mol.
3. Tarkastellaan polttokennon anodilla ja katodilla tapahtuvia reaktioita

2H, >4H*+4e"
0,+4e€ +4H* >2H,0

Määritä katodilla käytetyn hapen määrä (kg/s), kun kennoston teho on 1 kW ja yhden ken-
non kennojännite on 0.8 V. (Hapelle 1 mol/s = 32 x 10* kg/s ja Faradayn vakio F' = 96 485

O).

4. Vedyn varastointi metallihydrideihin.

KÄÄNNÄ!
Selitä lyhyesti polttokennoteknologiaan liittyvät termit

2)
b)
9)
d)
e)
)

aktiivisuus
BOP-järjestelmä
Raney-metalli
endoterminen reaktio
stoikiometrinen kerroin

zeoliitti