From Wikipedia, the free encyclopedia
Kütuseelement on keemiline vooluallikas, milles saadakse elektrienergiat juurdeantava kütuse oksüdeerimisel vabaneva energia arvel. Niisugust energiamuundurit võib käsitada kui galvaanielementi, mille elektrokeemilise reaktsiooni jaoks tarvilik aine ei paikne lõpliku kogusena elemendi sees, vaid seda antakse väljastpoolt pidevalt juurde. Niiviisi on võimalik saada kütusest vahetult elektrienergiat. Tavalisel viisil toodetakse elektrienergiat teatavasti nii, et muundatakse kütuse põletamisel saadava kuuma auru või gaasi soojus mehaaniliseks energiaks soojusjõumasinas (kolbmootoris, turbiinis), mis käitab elektrigeneraatorit.
Kütuseelemendi tööpõhimõtte avastas Saksamaa teadlane Christian Friedrich Schönbein, kes oma avastuse ühes teadusajakirjas 1838. või 1839. aastal avaldas. Kütuseelemendi isaks loetakse inglane Sir William Robert Grove, kes avaldas 1839. aastal esimese töötava kütuseelemendi kirjelduse ja 1842. aastal selle joonised.[1] Praktiliseks kasutamiseks kõlblike kütuseelementide väljatöötamisega hakati tegelema 20. sajandi teisel poolel. Tulemusena töötati kõigepealt välja polümeermembraaniga kütuseelement, mida NASA kasutas 1969. aastal Apollo mehitatud Kuu-lennul.
1990. aastatel aktiviseerunud uurimis- ja arendustöö tulemusena on loodud või loomisel uusi elektrokeemilisi süsteeme kasutamiseks transpordis (autodes, laevades, lennukites) ja samuti paiksetes seadmetes detsentraliseeritud elektri- ja soojusvarustuseks, eriti aga reserv- ja avariitoiteallikaina. Võimsuse skaala ulatub rakendusotstarbest olenevalt millivattidest megavattideni. Seni on nende elektrienergiaallikate laiemat levikut piiranud suured tootmiskulud.
Kütuseelement koosneb elektroodidest ‒ anoodist ja katoodist, mida eraldab ioone juhtiv membraan või elektrolüüt. Elektroodiplaadid on metallist, nanopoorsest süsinikust või keraamikast. Elektroodid on võimelised juhtima nii elektrone kui ioone. Et kiirendada redoksreaktsioone (eriti madalatel töötemperatuuridel), on elektroodid kaetud katalüsaatori (plaatina, pallaadiumi) kihiga. Elektrolüüdiks, mille ülesandeks on juhtida ioone (kuid mitte elektrone), võib sõltuvalt tüübist olla happe või leelise lahus, samuti tahke aine polümeermembraani kujul, kõrgetemperatuurilistes elementides keraamiline materjal. Elektrienergia tootmiseks vajab element anoodil vesinikku või orgaanilist ühendit, näiteks metanooli, metaani või sünteesgaasi, ja katoodil hapnikku. Neid reaktsioonikomponente tuleb kütuseelemendi elektroodidele pidevalt juurde anda.
Vesinik-hapnik-kütuseelemendi pinge on temperatuuril 25 °C teoreetiliselt 1,23 V, praktiliselt saavutatud väärtused jäävad vahemikku 0,5 ‒ 1,0 V. Vajaliku pinge saamiseks moodustatakse elementidest järjestikpatarei.
Kütuseelemente liigitatakse elektrolüüdi järgi ja tüüpe tähistatakse ingliskeelsete terminite tähtlühenditega:
Pikemalt artiklis Tahkeoksiidne kütuseelement
Kütuseelementidest on tuntuimad polümeermembraanelektrolüüdiga elemendid, mis kasutavad kütusena vesinikku. Niisuguse elemendi elektroodide vahel on polümeermaterjalist nanopoorne membraan, mis toimib elektrolüüdina.
Vesinikus peituv keemiline energia muundub elektrienergiaks järgmiselt:
Vesinik esineb looduses teatavasti ainult mitmesuguste ühenditena. Otsemetanool-kütuseelemendiks, kasutatakse vesinikukandjana metanooli (puupiiritust). Elemendi anoodile juhitakse metanool ja vesi, mille omavahelisel reageerimisel tekib vesinik (H2) ja süsinikdioksiid (CO2).
| Kütuseelement | Elektrolüüt | Ioon (laengukandja) |
Kütus (anoodil) |
Gaas (katoodil) |
Võimsus kW | Temperatuur °C | Kasutegur % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Polümeerelektrolüüt-kütuseelement PEMFC |
Polümeer- membraan |
H+ | H2 | O2 | 0,1–500 | 10–100 | 35‒60 |
| Kõrgetemperatuuriline polümeerelektrolüüt-kütuseelement HT-PEMFC) |
Fosforhape, polümeermembraan | H+ | H2, (nt saadud metanoolist) | O2 (õhuhapnik) | 0,1–100 | 120–200 | 35–60 |
| Otsemetanool-kütuseelement DMFC |
Polümeer- membraan |
H+ | Metanool (CH3OH) | O2 | 0,001–100 | 60–130 | 40 |
| Tahkeoksiid-kütuseelement SOFC |
Oksiidkeraamiline elektrolüüt |
O2‒ | H2, metaan (CH4) | O2 (õhuhapnik) | Kuni 100 |
450–1000 | 47-70 |
| Leeliskütuseelement AFC |
Kaaliumleelis (KOH) | OH‒ | H2 | O2 | 10–100 | 150–220 | 40–60 |
| Sulakarbonaat-kütuseelement MCFC |
Karbonaatide segu sulas olekus |
CO32‒ | H2, metaan (CH4) | O2 | Kuni 100 |
550–700 | 48–70 |
| Fosforhappe-kütuseelement PAFC |
PH3PO4 | H3O+ | H2 | O2 | Kuni 10 000 |
130‒220 | 38 |
Pikemalt artiklis LäbivooluelementKütuseelemendi eriliigiks võib pidada läbivooluelementi (inglise k flow battery), mis töötab vahetatava kütuseannusega.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
