Polttokennot ja vety

Fuel Cells & Hydrogen (FC&H2)

Polttokenno -ja vetyteknologioiden kehitys

Polttokenno on moderni tapa tuottaa sähköä tehokkaasti ja pienillä päästöillä missä tahansa. Polttokennot eivät ole riippuvaisia sääolosuhteista, vaan toimivat niin kauan kuin niihin syötetään polttoainetta kuten biokaasua, maakaasua, metanolia, dieseliä tai vetyä. Polttokennot ovat jo markkinoilla. Niitä käytetään mm. ajoneuvojen teholähteinä sekä kotien ja suurten kiinteistöjen perusvoimantuotannossa. Etuina ovat luotettavuus ja korkea sähköntuotannon hyötysuhde. Uusia sovellusalueita ja liiketoimintamahdollisuuksia kartoitetaan yhdessä asiakkaiden kanssa.

Polttokennot liittyvät kiinteästi vedyn tuotantoon elektrolyysillä. Siksi vedyn tuotantotavat ja vedyn laatu ovat tärkeitä tutkimusaiheita myös VTT:llä ja polttokennoista puhuttaessa on oleellista hahmottaa myös muut ympäröivät vetyteknologiat. Suurena tutkimuslaitoksena VTT kykenee tarjoamaan asiakkailleen monitahoisen lähestymistavan teknistaloudellisista soveltuvuusselvityksistä kokeelliseen tutkimukseen ja tuotekehitykseen.

Tiimimme fokusalueina ovat yleisimmät matalan ja korkean lämpötilan polttokennoteknologiat. Matalassa lämpötilassa toimivien polttokennojen (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) sovellusalueita ovat mm. ajoneuvot ja varavoima. Korkean lämpötilan polttokennot (solid oxide fuel cell, SOFC) soveltuvat paremmin suuren teholuokan kiinteisiin voimalaratkaisuihin. Korkeassa lämpötilassa toimivat elektrolyyserit (solid oxide electrolysis cell, SOEC) taas mahdollistavat erittäin korkealla höytysuhteella tapahtuvan vetyelektrolyysin. Nämä kaksi korkealämpötilateknologiaa voidaan yhdistää reversiibeliksi polttoaineen ja sähkön muunnosjärjestelmäksi, jolla mahdollistetaan hyvällä hyötysuhteella toimiva suuren mittaluokan sähkövarasto.

Tarjoamamme asiakkaille

  • Polttokennokonseptit ja niiden teknis-taloudelliset selvitykset kaupallisia sovelluksia varten
  • Polttokennojärjestelmäsuunnittelu
  • Polttokennojärjestelmien ohjaus ja vikadiagnostiikka
  • Vedyn laatu PEMFC-sovelluksissa
  • Mallinnus komponenttitasolta järjestelmätasolle
  • Kennostokehitys ja kennostokomponenttikehitys PEMFC- ja SOFC/SOEC-järjestelmiin
  • PEMFC, SOFC ja SOEC -kennostojen karakterisointi

 

VTT:n puitteet polttokenno- ja vetyteknologian kehitystyölle ovat maailman mittakaavassa huippuluokkaa. Viimeisen vuosikymmenen saatossa rakennetut laboratoriot ja niiden laitteistot mahdollistavat erilaisilla räjähdysherkillä kaasuilla, erityisesti vedyllä, suoritettavien tutkimus- ja kehityshankkeiden toteuttamisen turvallisesti, luotettavasti ja kustannustehokkaasti. Kaikki testilaitteet ovat täysin automatisoituja, joten ne voidaan valjastaa asiakkaidemme käyttöön 24/7. Tämän lisäksi tiimissämme on poikkeuksellisen vahva mallinnusosaaminen, jota sovelletaan kokeellisen työn rinnalla mahdollisuuksien mukaan projektin alusta pitäen.

Tiimimme laboratoriot tarjoavat testaus- ja karakterisointipalveluita yksikkökennotasolta aina kokonaisiin järjestelmiin asti. Vedyn laatuun liittyviä ilmiöitä voidaan tutkia hallitusti varta vasten suunnitelluilla korkean tarkkuuden analytiikkatyökaluilla. Laboratoriolaitteiden automaatio mahdollistaa testiprotokollien tarkan hallinnan, ja teolliseen luotettavuustason tiedonsiirto- ja tallennusjärjestelmät takaavat jatkuvan sekä tietoturvallisen mittausdatan keruun.

Nykyaikaiset analyysimenetelmät, jotka perustuvat esimerkiksi sähkökemialliseen impedanssispektroskopiaan tai signaalin spektrianalyysiin sekä iso joukko kokeensuunnittelumenetelmiä ovat VTT:llä arkikäytössä, ja uusia toimintatapoja kehitetään jatkuvasti. Näin taataan, että mittausdatasta ja sen vaatimasta työpanoksesta saadaan aina maksimaalinen hyöty.

Jatkuvasti kehittyvä polttokenno- ja vetykehitysalustamme tarjoaa asiakkailleen seuraavat mahdollisuudet

  • Useita SOFC-testiasemia, jotka soveltuvat yksikkökennojen sekä pienten ja täyden kokoluokan kennostojen karakterisointiin
  • Useita PEMFC-testiasemia suorituskykymittauksiin yksikkökennoista aina 8 kW kennostoihin saakka
  • Testiasema reversiibleille SOFC/SOEC-kennostoille aina 3 kW saakka
  • Polttoaine- ja hapetinkaasujen koostumuksen hallinnan, mikä mahdollistaa testit esim. synteettisellä reformaatilla, biokaasulla tai erilaisten vedyn ja/tai ilman epäpuhtauksien vaikutuksen alaisuudessa
  • Testaamisen erilaisilla kuormitussykleillä erilaisten loppukäyttökohteiden vaatimuksien simuloimiseksi
  • Vahvasti instrumentoidun ja automatisoidun 10 kW SOFC-järjestelmän, joka käyttää polttoaineenaan maakaasuverkosta saatavaa maakaasua
  • Vahvasti instrumentoidun ja automatisoidun 50 kW PEMFC-järjestelmän, joka käyttää polttoaineenaan teollisen prosessin sivuvirtavetyä
  • Monipuolisen protopajan
  • Lukuisia erilaisiin kemiallisiin analyyseihin erikoistuneita laboratorioita

 

Tiimimme tietotaito on maailmanluokkaa ja kehitämme sitä jatkuvasti. Käytössämme olevat tutkimuslaitteet ja laboratoriot mahdollistavat kokeellisten hankkeiden toteuttamisen niin tutkimustarkoituksiin kuin kaupallista tuotekehitystä tukemaan. Työskentelemme monen eri mittaluokan projektien parissa, aina itse koordinoimistamme laajoista projektikokonaisuuksista suoriin, tarkasti rajattuihin toimeksiantohankkeisiin. Asiakkaamme ja partnerimme ovat tyypillisesti polttokennojen, kennosto-osien tai oheiskomponenttien (balance-of-plant) kehittäjiä sekä järjestelmäintegraattoreita. Soita meille sopiaksesi tapaaminen ja kerro miten voimme auttaa yritystäsi.

European Union Horizon 2020 Research and Innovation Programme

BALANCE - Hydrogen technology to support deployment of intermittent renewable electricity sources

European Union Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking

DEMOSOFC - Design and installation of a 175 kWe Solid Oxide Fuel Cell plant

DIAMOND – Diagnosis-aided control for SOFC power systems

HyCoRA - Hydrogen Contaminant Risk Assessment

HyLAW -  Identification of legal rules and administrative processes applicable to Fuel Cell and Hydrogen technologies’ deployment, identification of legal barriers and advocacy towards their removal

INNO-SOFC - 60 kW SOFC power plant based on an all-European value chain
Katso myös Uuden sukupolven polttokennojärjestelmä

INSIGHT - Implementation in real SOFC systems of monitoring and diagnostic tools using signal analysis to increase their lifetime

INSPIRE - Integration of Novel Stack Components for Performance, Improved Durability and Lower Cost

MARANDA - Marine application of a new fuel cell powertrain validated in demanding arctic conditions

NELLHI - New all-European high-performance stack: design for mass production

PEMBeyond - PEMFC system and low-grade bioethanol processor unit development for back-up and off-grid power applications

qSOFC - Automated mass-manufacturing and quality assurance of Solid Oxide Fuel Cell stacks

SCORED 2.0 - Steel Coatings For Reducing Degradation in SOFC
SOPHIA - Solar Integrated Pressurized High Temperature Electrolysis

European Union Marie Curie

HELTSTACK - High Efficiency Low Temperature SOFC Stack

[1]        M. Kotisaari, O. Thomann, D. Montinaro, and J. Kiviaho, "Evaluation of a SOE Stack for Hydrogen and Syngas Production: a Performance and Durability Analysis," Fuel Cells, vol. 17, no. 4, pp. 571–580, Aug. 2017.

[2]        J. Tallgren, O. Himanen, and M. Noponen, "Experimental Characterization of Low Temperature Solid Oxide Cell Stack J. Tallgren," ECS Trans., vol. 78, no. 1, pp. 3103–3111, May 2017.

[3]        J. Tallgren, C. Boigues Muñoz, J. Mikkola, O. Himanen, and J. Kiviaho, "Determination of Temperature and Fuel Utilization Distributions in SOFC Stacks with EIS," ECS Trans., vol. 78, no. 1, pp. 2141–2150, May 2017.

[4]        P. Koski et al., "Development of Reformed Ethanol Fuel Cell System for Backup and Off-grid Applications - System Design and Integration," Proc. IEEE INTELEC 2016, pp. 0–7, Oct. 2016.

[5]        K. Nikiforow, P. Koski, H. Karimäki, J. Ihonen, and V. Alopaeus, "Designing a hydrogen gas ejector for 5 kW stationary PEMFC system – CFD-modeling and experimental validation," Int. J. Hydrogen Energy, 2016.

[6]        J. Tallgren, O. Thomann, M. Halinen, O. Himanen, and J. Kiviaho, "Development of a fuel feeder for a solid oxide fuel cell test station," Int. J. Energy Res., vol. 39, no. 15, pp. 2031–2041, Dec. 2015.

[7]        M. Rautanen, V. Pulkkinen, J. Tallgren, O. Himanen, and J. Kiviaho, "Effects of the first heat up procedure on mechanical properties of solid oxide fuel cell sealing materials," J. Power Sources, vol. 284, pp. 511–516, Jun. 2015.

[8]        O. Thomann, M. Rautanen, O. Himanen, J. Tallgren, and J. Kiviaho, "Post-experimental analysis of a solid oxide fuel cell stack using hybrid seals," J. Power Sources, vol. 274, pp. 1009–1015, Jan. 2015.

[9]        J. Tallgren, M. Bianco, O. Himanen, O. Thomann, J. Kiviaho, and J. van Herle, "Evaluation of Protective Coatings for SOFC Interconnects," ECS Trans., vol. 68, no. 1, pp. 1597–1608, Jul. 2015.

[10]      A. Pohjoranta, M. Sorrentino, C. Pianese, F. Amatruda, and T. Hottinen, "Validation of Neural Network-based Fault Diagnosis for Multi-stack Fuel Cell Systems: Stack Voltage Deviation Detection," Energy Procedia, vol. 81, pp. 173–181, Dec. 2015.

[11]      M. Halinen, A. Pohjoranta, J. Pennanen, and J. Kiviaho, "Application of Multivariable Regression Model for SOFC Stack Temperature Estimation in System Environment," Fuel Cells, vol. 15, no. 5, pp. 749–756, Oct. 2015.

[12]      A. Pohjoranta, M. Halinen, J. Pennanen, and J. Kiviaho, "Solid oxide fuel cell stack temperature estimation with data-based modeling – Designed experiments and parameter identification," J. Power Sources, vol. 277, pp. 464–473, Mar. 2015.

[13]      D. Marra, M. Sorrentino, A. Pohjoranta, C. Pianese, and J. Kiviaho, "A Lumped Dynamic Modelling Approach for Model-Based Control and Diagnosis of Solid Oxide Fuel Cell System with Anode Off-Gas Recycling," ECS Trans., vol. 68, no. 1, pp. 3095–3106, Jul. 2015.

[14]      P. Koski, L. C. Pérez, and J. Ihonen, "Comparing Anode Gas Recirculation with Hydrogen Purge and Bleed in a Novel PEMFC Laboratory Test Cell Configuration," Fuel Cells, vol. 15, no. 3, pp. 494–504, Jun. 2015.

[15]      A. Pohjoranta, M. Halinen, J. Pennanen, and J. Kiviaho, "Model predictive control of the solid oxide fuel cell stack temperature with models based on experimental data," J. Power Sources, vol. 277, pp. 239–250, Mar. 2015.

[16]      T. M. Keränen et al., "A 50 kW PEMFC Pilot Plant Operated with Industry Grade Hydrogen - System Design and Site Integration," Fuel Cells, vol. 14, no. 5, pp. 701–708, Oct. 2014.

[17]      L. C. Pérez, P. Koski, J. Ihonen, J. M. Sousa, and A. Mendes, "Effect of fuel utilization on the carbon monoxide poisoning dynamics of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," J. Power Sources, vol. 258, pp. 122–128, Jul. 2014.

[18]      K. Nikiforow, J. Ihonen, T. Keränen, H. Karimäki, and V. Alopaeus, "Modeling and experimental validation of H2 gas bubble humidifier for a 50 kW stationary PEMFC system," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 18, pp. 9768–9781, Jun. 2014.

[19]      M. Halinen, O. Thomann, and J. Kiviaho, "Experimental study of SOFC system heat-up without safety gases," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 1, pp. 552–561, Jan. 2014.

[20]      M. Rautanen, O. Thomann, O. Himanen, J. Tallgren, and J. Kiviaho, "Glass coated compressible solid oxide fuel cell seals," J. Power Sources, vol. 247, pp. 243–248, Feb. 2014.

[21]      A. Pohjoranta, M. Halinen, J. Pennanen, and J. Kiviaho, "Multivariable Linear Regression for SOFC Stack Temperature Estimation under Degradation Effects," J. Electrochem. Soc., vol. 161, no. 4, pp. F425–F433, Feb. 2014.

[22]      O. Thomann et al., "Development and Application of HVOF Sprayed Spinel Protective Coating for SOFC Interconnects," J. Therm. Spray Technol., vol. 22, no. 5, pp. 631–639, Jan. 2013.

[23]      L. C. Pérez, T. Rajala, J. Ihonen, P. Koski, J. M. Sousa, and A. Mendes, "Development of a methodology to optimize the air bleed in PEMFC systems operating with low quality hydrogen," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 38, no. 36, pp. 16286–16299, Dec. 2013.

[24]      V. Sarda et al., "Long Term Resistivity Behavior of SOFC Interconnect/Ni-Mesh/Anode Interfaces," ECS Trans., vol. 57, no. 1, pp. 2279–2288, Oct. 2013.

[25]      M. Rautanen, M. Halinen, M. Noponen, K. Koskela, H. Vesala, and J. Kiviaho, "Experimental Study of an SOFC Stack Operated With Autothermally Reformed Diesel Fuel," Fuel Cells, vol. 13, no. 2, pp. 304–308, Apr. 2013.

[26]      J. R. Hoyes and M. Rautanen, "SOFC Sealing with Thermiculite 866 and Thermiculite 866 LS," ECS Trans., vol. 57, no. 1, pp. 2365–2374, Oct. 2013.

[27]      K. Nikiforow, H. Karimäki, T. M. Keränen, and J. Ihonen, "Optimization study of purge cycle in proton exchange membrane fuel cell system," J. Power Sources, vol. 238, pp. 336–344, Sep. 2013.

[28]      M. Halinen, A. Pohjoranta, J. Pennanen, and J. Kiviaho, "Stack Temperature Estimation in System Environment by Utilizing the Design of Experiments Methodology," ECS Trans., vol. 57, no. 1, pp. 205–214, Oct. 2013.

[29]      L. C. Pérez, J. Ihonen, J. M. Sousa, and A. Mendes, "Use of Segmented Cell Operated in Hydrogen Recirculation Mode to Detect Water Accumulation in PEMFC," Fuel Cells, vol. 13, no. 2, pp. 203–216, Apr. 2013.

[30]      A. Arvay et al., "Characterization techniques for gas diffusion layers for proton exchange membrane fuel cells – A review," J. Power Sources, vol. 213, pp. 317–337, Sep. 2012.

[31]      M. Halinen, O. Thomann, and J. Kiviaho, "Effect of Anode off-gas Recycling on Reforming of Natural Gas for Solid Oxide Fuel Cell Systems," Fuel Cells, vol. 12, no. 5, pp. 754–760, Oct. 2012.

[32]      O. Thomann, M. Pihlatie, J. A. Schuler, O. Himanen, and J. Kiviaho, "Method for Measuring Chromium Evaporation from SOFC Balance-of-Plant Components," Electrochem. Solid-State Lett., vol. 15, no. 3, p. B35, Jan. 2012.

[33]      T. M. Keränen et al., "Development of integrated fuel cell hybrid power source for electric forklift," J. Power Sources, vol. 196, no. 21, pp. 9058–9068, Nov. 2011.

[34]      H. Karimäki, L. C. Pérez, K. Nikiforow, T. M. Keränen, J. Viitakangas, and J. Ihonen, "The use of on-line hydrogen sensor for studying inert gas effects and nitrogen crossover in PEMFC system," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 36, no. 16, pp. 10179–10187, Aug. 2011.

[35]      S. Auvinen, T. Tingelöf, J. K. Ihonen, J. Siivinen, and M. Johansson, "Cost Effective In-Situ Characterization of Coatings for PEFC Bipolar Plates Demonstrated with PVD Deposited CrN," J. Electrochem. Soc., vol. 158, no. 5, p. B550, 2011.

[36]      M. Mikkola, T. Tingelöf, and J. K. Ihonen, "Modelling compression pressure distribution in fuel cell stacks," J. Power Sources, vol. 193, no. 1, pp. 269–275, Aug. 2009.

[37]      T. Tingelöf and J. K. Ihonen, "A rapid break-in procedure for PBI fuel cells," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 34, no. 15, pp. 6452–6456, Aug. 2009.

[38]      M. Rautanen, O. Himanen, V. Saarinen, and J. Kiviaho, "Compression Properties and Leakage Tests of Mica-Based Seals for SOFC Stacks," Fuel Cells, vol. 9, no. 5, pp. 753–759, Oct. 2009.

​Lue lisää  englanninkielisestä
esitteestämme