Ympäristölle ystävällisempiä polttokennoja

Kestävä kehitys vaatii energian tuotantomenetelmien hyötysuhteen kasvattamista ja ympäristöystävällisempien sovellusten kehittämistä. Esimerkiksi polttomoottoreiden hyötysuhdetta on parannettu käyttölämpötilaa nostamalla, mikä on asettanut entistä vaativammat kriteerit niissä käytettäville materiaaliratkaisuille. Erityisesti korroosionkesto on usein haaste, kun lämpötila kasvaa. Toisaalta energian tuotannossa erilaisilla polttokennoteknologioilla saavutetaan polttomoottoreita suurempi hyötysuhde ja riippumattomuus fossiilisista polttoaineista, mutta niiden yleistyminen edellyttäisi entistä edullisempia ja uusia materiaaliratkaisuja.

Kiinteäoksidipolttokenno toimii korkeassa lämpötilassa ilman kalliita katalyyttimateriaaleja, mutta yhtenä ongelmana on kennomateriaalien heikko sähkönjohtavuus.

Diplomi-insinööri Harri Ali-Löytty tarjoaa materiaaliratkaisuksi uusia ferriittisiä ruostumattomia teräksiä, jotka ovat perinteisiä austeniittisia teräslaatuja edullisempi vaihtoehto. Ruostumattomia teräslaatuja käytetään yleisesti energiateknologisissa sovelluksissa, joissa materiaalilta edellytetään korroosion ja korkeiden lämpötilojen kestoa. Näitä ovat esimerkiksi polttomoottoreiden pakokaasujärjestelmät ja kiinteäoksidipolttokennojärjestelmien pintamateriaalit. Ruostumattomien teräslaatujen erinomaiset korroosionkesto-ominaisuudet perustuvat niiden pinnalle muodostuvaan kromirikkaaseen oksidikerrokseen, joka suojaa materiaalia korroosiolta.

– Tämän pintakerroksen koostumus ja rakenne määrittelevät materiaalin korroosionkestävyyden, mutta ne vaikuttavat myös materiaalin sähkönjohtavuuteen, sillä oksidit ovat huonoja sähkönjohteita. Sähköisiä ominaisuuksia ei kuitenkaan ole huomioitu perinteisessä teräsmateriaalien kehitystyössä, Ali-Löytty toteaa.

Ali-Löytty on keskittynyt väitöskirjatyössään teräspintojen hapettumisilmiöihin ja suojaavan oksidikerroksen muokkaamiseen teräksen mikroseosainekoostumusta muuttamalla. Hän sovelsi pinta-analyyttisiä tutkimusmenetelmiä ja hyödynsi mittauksissa Ruotsissa sijaitsevan MAX IV -laboratorion elektronikiihdytinrenkaasta saatavaa kirkasta synkrotronisäteilyä. Tällä miljoonia kertoja Aurinkoa kirkkaammalla valonlähteellä saadaan hallintaan polttokennoissa käytettävien teräsmateriaalien sähköiset ominaisuudet.

– Synkrotronisäteily mahdollisti mikroseosaineiden hapettumisen tutkimisen tarkkuudella, jota ei ole mahdollista saavuttaa perinteisiä laboratoriosäteilylähteitä käyttäen. Kävi ilmi, että niobiummikroseostus parantaa ferriittisen ruostumattoman teräksen pinnalle muodostuvan oksidikerroksen sähkönjohtavuutta, Ali-Löytty kertoo.

Tutkimuksen tuottama yksityiskohtainen tieto niobiummikroseostuksen yhteydestä teräsmateriaalin sähköisiin ominaisuuksiin mahdollistaa edullisen materiaaliratkaisun kehittämisen kiinteäoksidipolttokennosovelluksiin. Se edistää tämän ympäristöystävällisen energian tuotantomenetelmän yleistymistä.
 

Väitöstilaisuus tiistaina 19.2.
 

Diplomi-insinööri Harri Ali-Löytyn fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Microalloying Mediated Segregation and Interfacial Oxidation of FeCr Alloys for Solid-Oxide Fuel Cell Applications (”Mikroseostuksen ohjaama FeCr metalliseoksien segregaatio ja rajapintaoksidaatio kiinteäoksidipolttokennosovelluksissa”) tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) luonnontieteiden tiedekunnassa tiistaina 19.2.2013 kello 12 alkaen Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Anders Nilsson (Stanford University, California, USA). Tilaisuutta valvoo professori Mika Valden TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksesta.

Harri Ali-Löytty (28) on kotoisin Tampereelta ja työskentelee tutkijana TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa.

Lisätietoja: Harri Ali-Löytty, puh. 050 322 5469, harri.ali-loytty@tut.fi
Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://URN.fi/URN:ISBN:978-952-15-3026-5