Kütuseelement: erinevus redaktsioonide vahel
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
Resümee puudub |
|||
1. rida:
'''Kütuseelement''' on [[keemiline vooluallikas]], milles saadakse [[elektrienergia]]t juurdeantava kütuse [[oksüdatsioon|oksüdeerimisel]] vabaneva [[energia]] arvel. Niisugust energiamuundurit võib käsitada kui [[galvaanielement]]i, mille [[elektrokee|miaelektrokeemilise]] 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.
[[Pilt:Motore-idrogeno hydrogen engine.gif|pisi|250px|Elektrienergia saamine vesinikust]]
==Ajalugu==
Kütuseelemendi isaks loetakse inglane Sir William Grove, kes avaldas1839. aastal seda liiki keemilise vooluallika põhimõtte ja 1842. aastal selle üksikasjalise kirjelduse. <ref>http://web.archive.org/web/20060904132508/http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/grove.htm</ref> Praktiliseks kasutamiseks kõlblike kütuseelementide väljatöötamisega hakati tegelema 20. sajandi teiselt poolel. Tulemusena töötati kõigepealt välja polümeermembraaniga kütuseelement, mida [[NASA]] kasutas 1960. 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.
==Ehitus ==
Kütuseelement koosneb [[elektrood]]idest ‒ [[anood]]ist ja [[katood]]ist, mida eraldab [[ioon]]e 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 [[katalüsaator]]i (plaatina, pallaadiumi) kihiga. [[Elektrolüüt|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, nt metanooli, metaani või [[sünteesgaas]]i, ja katoodil hapnikku. Neid reaktsioonikomponente tuleb kütuseelemendi elektroodildele 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.
==Kütuseelementide levinumad tüübid==
Kütuseelemente liigitatakse elektrolüüdi järgi ja tüüpe tähistatakse ingliskeelsete terminite tähtlühenditega:
*PEMFC (''Proton Exchange Membrane Fuel Cell'' ehk ''Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell'') ‒ madalatemperatuuriline polümeerelektrolüüt-kütuseelement. Vajab kütuseks puhast vesinikku. Kasutusalad: mootorsõidukid, plokkelektrijaamad, kaasaskantavad elektritarvitid.
*DMFC (''Direct Methanol Fuel Cell'') ‒ madalatemperatuuriline otsemetanool-kütuseelement. Kütuseks on metanool, millest vesinik eraldub veega reageerimisel. Kasutuskohad: mootorsõidukid, kaasaskantavad elektritarvitid.
*SOFC (''Solid Oxide Fuel Cell'') ‒ kõrgetemperatuuriline tahkeoksiid-kütuseelement. Laengukandjaiks on hapniku ioonid. Kasutuskohad ‒ plokkelektrijaamad, samuti mootorsõidukeis aku asendajana, kusjuures vajalik kütus saadakse lihtsa muundamise teel bensiinist.
{{Vaata|Tahkeoksiidne kütuseelement}}
*AFC (''Alkaline Fuel Cell'') ‒ madalatemperatuuriline leeliskütuseelement. Vajab katoodil puhast hapnikku. Kasutuskohad: kosmosesõidukid, allveelaevad.
*MCFC (''Molten Carbonate Fuel Cell'') ‒ kõrgetemperatuuriline sulakarbonaat-kütuseelement. Kasutuskohad: plokkelektrijaamad.
*PAFC (''Phosphoric Acid Fuel Cell'') ‒ kesktemperatuuriline fosforhappe-kütuseelement. Kasutuskohad: plokkelektrijaamad.
[[Pilt:Kütuseelement.png|pisi|350px|Polümeerelektrolüüdiga kütuseelemendi ehituse ja talitluse skeem]]
==Polümeerelektrolüüt-kütuseelemendi tööpõhimõte==
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:
* anoodile juhitud vesiniku (H<sub>2</sub>) aatomeist eralduvad plaatinakatalüsaatori kaasabil elektronid (e<sup>‒</sup>), mis suunduvad välisahela (elektritarviti) kaudu katoodile;
* vesiniku positiivsed ioonid, s.o [[prootonid]] (H<sup>+</sup>) difundeeruvad läbi polümeermembraani katoodi juurde;
* katoodil liituvad elektronid katalüsaatori toimel (õhu)hapniku (O<sub>2</sub>) molekulidega; nii moodustunud negatiivsed hapnikuioonid muutuvad prootonitega (H<sup>+</sup>) reageerides veeks.
Vesinik esineb looduses teatavasti ainult mitmesuguste ühenditena. Otsemetanool-kütuseelemendiks, kasutatakse vesinikukandjana metanooli (puupiiritust). Elemendi anoodile juhitakse metanool ja vesi, mille omavahelisel reageerimisel tekib vesinik (H<sub>2</sub>) ja süsinikdioksiid (CO<sub>2</sub>).
==Kütuseelementide andmeid<ref> http://www.answers.com/topic/fuel-cell</ref> ==
{| class="prettytable"
! Kütuseelement
! Elektrolüüt
! Ioon<br />(laengukandja)
! Kütus<br/> (anoodil)
! Gaas<br/>(katoodil)
! Võimsus kW
! Temperatur °C
! Kasutegur %
|-
|Polümeerelektrolüüt-kütuseelement <br /> PEMFC
| [[Polümeer]]-<br />membraan
| H<sup>+</sup>
| Vesinik (H<sub>2</sub>)
| Hapnik (O<sub>2</sub>)
| 0,1–500
| 10–100
| 35‒60
|-
|Otsemetanool-kütuseelement<br /> DMFC
| Polümeer-<br />membraan
| H<sup>+</sup>
| Metanool (CH<sub>3</sub>OH)
| Hapnik (O<sub>2</sub>)
| 0,001–100
| 60–130
| 40
|-
| Tahkeoksiid-kütuseelement<br /> SOFC
|Oksiidkeraamiline<br />elektrolüüt
| O<sup>2‒</sup>
| Vesinik (H<sub>2</sub>), metaan (CH<sub>4</sub>), [[sünteesgaas]]
| Õhk (O<sub>2</sub>)
| Kuni<br/>100 000
| 800–1000
| 47
|-
| Leeliskütuseelement<br />AFC
| Kaaliumleelis (KOH)
| OH<sup>‒</sup>
| Vesinik (H<sub>2</sub>)
| Hapnik (O<sub>2</sub>)
| 10–100
| 60‒90
| 45–60
|-
| Sulakarbonaat-kütuseelement <br /> MCFC
| [[Karbonaadid|Karbonaatide]] segu<br />sulas olekus
| CO<sub>3</sub><sup>2‒</sup>
| Vesinik (H<sub>2</sub>), metaan (CH<sub>4</sub>), sünteesgaas
| Hapnik (O<sub>2</sub>)
| Kuni<br/>100 000
| 650
| 48
|-
| Fosforhappe-kütuseelement<br /> PAFC
| PH<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
| H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>
|Vesinik (H<sub>2</sub>)
| Hapnik (O<sub>2</sub>)
| Kuni<br/>10 000
| 130‒220
| 38
|}
==Läbivooluelement==
Kütuseelemendi eriliigiks võib pidada läbivooluelementi (inglise k ''flow battery''), mis töötab vahetatava kütuseannusega.
{{Vaata|Läbivooluelement}}
== Vaata ka ==
*[[Vesinikuenergeetika]]
*[[Tahkeoksiidne kütuseelement]]
==Välislingid==
*[http://teadus.err.ee/salv?id=2735&saade=211 Teaduse helisõnastik: Kütuselement] ([[Gunnar Nurk]]) – ERR Teadus, 23. september 2010
*[http://www.fuelcelltoday.com/ The leading authority on fuel cells]
*[http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/index.shtml Die Brennstoffzelle]
*[http://www.bine.info/publikationen/projektinfos/publikation/hausenergiesysteme-mit-brennstoffzellen/ Hausenergiesysteme mit Brennstoffzellen]
==Viited==
{{Viited}}
{{Keemilised vooluallikad}}
[[Kategooria:Keemilised vooluallikad]]
[[af:Brandstofsel]]
[[ar:خلية وقود]]
37. rida ⟶ 132. rida:
[[ht:Selil konbistib]]
[[hu:Üzemanyagcella]]
[[ml:ഫ്യുവല് സെല്]]
[[mn:Түлшний элемент]]
[[nl:Brandstofcel]]
| |||