Kütuseelemendid (0)

Põltsamaa Ühisgümnaasium
KÜTUSEELEMENDID
Referaat
Koostaja : Marita Kose 10A
2012
Sisukord
Sisukord………………………………………………………………………………………..2
Sissejuhatus…………………………………………………………………………………….3
Mis on kütuseelement?................................................................................................................4
Kuidas kütuseelement töötab?……………………………………………………….............5-6
Enimkasutatavate kütuseelementide tüübid………………………………………………….7-9
Vesinik kütusena…………………………………………………………………………..10-11
Kasutatud kirjanus…………………………………………………………………………….12
Sissejuhatus
Elektriautode, - busside , -skuutrite, aga ka raadiomajakate – ja kaugeltki mitte ainult nende – varustamiseks on vaja kütuseelemente.
Viimastel aastatel on kogu maailmas hakatud pððrama väga palju tähelepanu alternatiivsete energeetiliste ressursside nagu tuule-, geotermaal-, hüdro-, biomassi- ja päikeseenergiale ning teiste tõhusamate energiaallikate kasutamisele. Selle peamiseks põhjuseks on ühelt poolt nafta - ja gaasivarude ammendumine ning teiselt poolt tarbimise plahvatuslik kasv Aasias, eeskätt Hiinas, Indias ja Indoneesias. Nii USA-s, Jaapanis , Kanadas kui ka Euroopas on käivitatud ulatuslikud riiklikud vesinikuenergeetika ja kütuseelementide uurimis - ja arendusprogrammid. Esmakordselt väga pika ajavahemiku järel ületavad USA-s kütuseelementide arendamiseks eraldatavad riiklikud vahendid biokeemiale määratud ressursse. 2003. aastal allkirjastasid Euroopa Liit ja USA memorandumi nn vesinikuühiskonna rajamiseks, tuginedes veendumusele, et 21. sajandi põhilisteks energiakandjateks kujunevad vesinik ja metaan. Vesiniku kui ühe põhilise energiaallika tootmise, transpordi ja käitlemise infrastruktuuri väljaarendamine kujul, mis oleks majanduslikult põhjendatud, võimaldaks laialdaselt kasutusele võtta kütuseelemendid. 
Mis on kütuseelement?
Esimese kütuseelemendi koostas sir William Growe Inglismaalt juba 1839. aastal. Selles kasutati kahte suhteliselt suurepinnalist plaatinaelektroodi, millest ühel ( katoodil ) toimus hapniku redutseerumine ja teisel (anoodil) vesiniku kui kütuse oksüdeerumine. Elektrokeemilise redoksprotsessi tulemusena tekkis elektronide suunatud voog anoodilt katoodile ehk elektrivool , ning eraldus soojust. Elektrolüüdina kasutas Growe lahjat väävelhappe (H2SO4) vesilahust. 1896. aastal sõnastas rohelise energeetika üks pioneere, Tartu ülikooli kasvandik Wilhelm Ostwald kütuseelemendi termodünaamilised alused ja näitas, et kütuseelemendid on oluliselt tõhusamad keemilise energia elektriks ja soojuseks muundamise seadmed , kui Carnot ’ termodünaamilisel soojusmasinal põhinevad süsteemid. 
Nüüdisajal võib elektrokeemilised vooluallikad jagada kolmeks: primaarpatareid, mida pole võimalik uuesti laadida , sekundaarpatareid ehk akumulaatorid, mida saab perioodiliselt laadida, ning pidevalt töötavad kütuseelemendid, kus oksüdeerija ja redutseerija juurdevool ning reaktsiooniproduktide – elektrivoolu, soojuse, vee ja süsihappegaasi pidev eemaldamine süsteemist tagab seadme pideva töö. 
Ehituse poolest on kütuseelemendid väga lihtsad, koosnedes teineteisest eraldatud anoodist ja katoodist. Lahuti hoiab ära anoodi ja katoodi lühistumise ning täidab sageli ka ioonjuhi rolli. Kütuseelemendid on vastavalt töötemperatuurile madaltemperatuursed (kuni 80 °C), keskmise- (kuni 500 °C) ja kõrgtemperatuursed (600–1200 °C). Vastavalt tööprintsiibile ja elektrolüüdi keemilisele koostisele on tänapäeva kütuseelemendid jaotatavad neljaks põhitüübiks: polümeerelektrolüütmembraaniga kütuseelement (PEKE), fosforhappe kütuseelement (PHKE), sulatatud karbonaatkütuseelement ( SKKE ) ja tahke oksiidkütuseelement (TOKE). 
Kütuseelementide efektiivsused on väga erinevad ning paremad tulemused on saadud tahkeoksiid-kütuseelementide korral. Kõrgtemperatuursete kütuseelementide põhiliseks eeliseks madaltemperatuursetega võrreldes on võimalus kasutada keerulisema molekulaarstruktuuriga energiakandjaid ja seega ka nn entroopiafaktorit kasuliku töö tegemiseks. See tõstab süsteemis kütuse oksüdeerumise summaarset kasutegurit olulisel määral. Kui näiteks kütuseelement on mõeldud maja kütmiseks, saab ka elektrienergia kõrval eralduva soojuse ära kasutada. Autodes aga on madaltemperatuursed energiaallikad sobivamad. Ent üldiselt on oluline kütuseelemendi kasuteguri ja omahinna suhe.
Kuidas kütuseelement töötab?
Vesiniku põlemisel peavad vesinik ja hapnik kontakteeruma ning vahetama elektrone. Kütuseelemendis on elektronide vahetus eraldatud aatomite kontaktist. Kahte elementi eraldav elektrolüüt lubab ühte kahest, kas vesiniku või hapniku ioonil läbida elektroodidevaheline vahemik. Reaktsiooniks vajalik elektronide vahetus vesiniku ja hapniku vahel ei toimu mitte läbi elektrolüüdi, vaid välist elektriringi pidi. Tekib alalisvool . Sobiva elektrolüüdi leidmine, mis lubaks liikuda hapniku või vesiniku aatomitel , kuid väldiks elektronide liikumise, on üheks võtmeküsimuseks kütuseelementide väljatöötamisel. Kütuseelemente liigitatakse kasutatava elektrolüüdi järgi. Elektrolüütideks kasutatakse leelist, fosforhapet, vedelaid (ehk sula-) karbonaate, tahkeid oksiide jne. Vastavalt sellele on erinevad ka kütuseelementide töötemperatuurid (80…900 °C).
Kütuseelement koosneb katalüsaatorit ( plaatina , nikkel ) sisaldavatest poorsetest elektroodidest, mille vahel on elektrolüüt-ioonmembraan. Väga kõrgel temperatuuril töötavatel kütuseelementidel võib katalüsaator ka puududa. Anoodile juhitakse vesinik (või vesinikku sisaldavad ained) ja katoodile hapnik.
Kütuseelemente jagatakse töötemperatuuri alusel kolme liiki:
• madalatemperatuurilised – kuni 120 °C;
• kesktemperatuurilised – 200...500 °C;
• kõrgetemperatuurilised – 500...1200 °C.
Üks kütuseelement genereerib alalisvoolu pingega ~1 V või vähem. Pinge on võrdeline välise koormusega. Pinge-voolu karakteristikud on paremad polümeermembraan- ja tahkeoksiid-elektrolüüdiga kütuseelementidel. Kasutatakse kütuseelemendi patareisid, kus üksikud kütuseelemendid on ühendatud järjestikku. Tüüpiline kütuseelement on umbes 5 mm paksune plaat. 400 üksikust kütuseelemendist 230 V pinget andev patarei on kuni 3 meetri paksune. Gaase reaktsiooniks sisse- ja ärajuhtivad kanalid kinnitatakse kütuseelemendi külge tihenditega. Peab olema tagatud kanalite elektriline isoleeritus ja soojuspaisumine. Võib olla ka, et gaasid juhitakse sisse ja ära kütuseelemendi sisemiste kanalite kaudu
Kütuseelemendi tööpõhimõte:
Enamkasutatavad kütuselementide tüübid
AFC – leeliselektrolüüdiga kütuseelement. Töötemperatuur 60…90 °C. Elektrolüüdiks on 30% kontsentratsiooniga KOH lahus. Reagentideks on puhas hapnik ja vesinik. Kasutatakse kosmosesõidukites. Vajab ülipuhast vesinikku ja hapnikku.
PEMFC, ka PEM – prootonivahetusmembraaniga (polümeerelektrolüütmembraaniga) kütuseelement. Tahkest polümeerelektrolüüdist õhuke plaat asetseb kahe peenikesi plaatinaosakesi katalüsaatorina sisaldavate poorsete grafiitelektroodide vahel. Elektroodidele juhitakse hapnik ja vesinik. Maagaas peab olema reformeris eelnevalt vesinikuks muudetud. Töötemperatuur 60…100 °C. Kuna kütuseelement ei sisalda agressiivseid aineid, on ta eelistatuim transpordi-vahendeis kasutamiseks.
PEM-tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte:
PAFC – fosforhape(H3PO4)-elektrolüüdiga kütuseelement. Vesinikku toodetakse maagaasist või metanoolist väljaspool kütuseelementi asetsevas reformeris. Oksüdeerijaks on õhk. Praegusel ajal on see kõige enam arendatud tehnoloogia statsionaarsetes seadmetes kasutamiseks. Euroopas, Ameerika Ühendriikides ja Jaapanis on kasutusel 11…25 MW demonstratsiooniseadmed. Kuni 200 °C töötemperatuuri tõttu on sobiv kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks.
PAFC-tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte:
MCFC – sulakarbonaat-elektrolüüdiga kütuseelement. Elektrolüüdiks on eutektiline segu 68% Li2CO3 ja 32% K2CO3 , mis töötemperatuuril 650…800 °C on vedelas olekus. Kütuseks on gaaside H2, CO ja CO2 segu, mis saadakse maagaasi või ka kivisöegaasi reformimisel. Ei ole vaja kasutada kallist katalüsaatorit. Kõrge töötemperatuuri tõttu on võimalik kütuseelemendisisene kütuse reformimine . Seega kasutab kütuseelement osaliselt ka ise vabanevat soojust. Kütuseelement on sobiv elektri ja soojuse koostootmiseks.
SOFC - tahkeoksiid-elektrolüüdiga kütuseelement. Elektrolüüdiks on tahke keraamiline materjal – ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid (Y2O3–ZrO2). Kütuseks kasutatakse H2 ja CO segu, mis saadakse hüdrokarbonaatide kütuseelemendi välise reformimisega. Head tehnilised näitajad on saavutatud kõrgematel temperatuuridel (800…900 °C). Kõrgel temperatuuril on piiratud termiliste tsüklite arv. Kütuseelement on kasutatav suure võimsusega energeetilise seadmena. Süsteemist saab kõrgetemperatuurilist jääksoojust, mida võib kasutada elektrienergia tootmiseks gaasi- või aurutsüklis või ka soojusvarustuseks. SOFC kasutegur on võrreldes konkureerivate tehnoloogiatega elektritootmisel ka parim. Ta on efektiivne väga laias koormusvahemikus (15…100%). Siin suudab temaga võistelda ainult sisepõlemismootor. Kõrgetemperatuuriliste kütuseelementide puuduseks on see, et konstruktsioonimaterjalidena ei saa kasutada roostevaba terast, vaid tuleb kasutada keraamilisi materjale. Sobivate , paljudele termilistele tsüklitele vastupidavate keraamiliste materjalide väljatöötamine on ka üheks probleemiks kütuseelementide töökindluse tõstmisel.
Vesinik kütusena
Kütuseelement kasutab kütusena puhast vesinikku või vesinikku sisaldavaid aineid (näiteks maagaas, naftaproduktid, metanool).
Kütuseelemendi tööks vajalikku vesinikku võib saada vee elektrolüüsiga või maagaasi lagundamisel (reformimisel). Reformimine toimub veeauruga katalüsaatori juuresolekul. Madalatemperatuurilistel maagaasil töötavatel kütuseelementidel on seetõttu vajalik eraldi seade (aurugeneraator) veeauru tootmiseks. Kütuseelementides toimuvad reaktsioonid ja elektriliste üleminekute skeemid on esitatud allpool olevas tabelis.
Kõrgetemperatuurilistes kütuseelementides saab maagaasi kasutada otse, reformimine toimub elemendis, kasutades selleks seal eraldunud soojust. Maagaasist vesiniku tootmisel ja selle kasutamisel kütuseelemendis vabaneb sama palju süsihappegaasi kui tema põletamisel. Igal kütuse põletamisel sõltub emiteeritava süsihappe-gaasi kogus väljastatava energiaühiku kohta seadme kasutegurist.
Teine võimalus vesiniku tootmiseks on vee hüdrolüüs. Elektrolüütiliselt tasub vesinikku toota ainult odava elektrienergia – tuule-, hüdro-, päikese-, aga ka tuumaenergia abil. Kuigi viimasel 25 aastal on elektrolüüsiks kasutusele võetud täiesti uued tehnoloogiad, ei ületa elektrolüüserite kasutegur 80%. Samas on selge, et elektrienergiaga toodetud vesinik pole ku-nagi konkurentsivõimeline metaanist (maagaasist) toodetava vesinikuga .
Katsetatakse veel termokeemilise, bioloogilise ja termilise lagundamise meetodite arenda-misega. Üheks probleemiks vesinikuenergeetika arendamisel on vesiniku ladustamine tema mahulise (mahuühiku) kütteväärtuse väiksuse tõttu (vaata allpool olevat joonist).
Kütuseelement annab võrreldes teiste meetoditega suhteliselt odava lahenduse energia sal-vestamiseks (akumuleerimiseks) vesiniku näol. Seega võib kütuseelementide ja elektrolüüse- rite kasutuselevõtt nende töökindluse suurenedes ning hinna alanedes mõjutada positiivselt al-ternatiivsetel energiaallikatel baseeruvat energia tootmist.
Kuigi vesinik on kütuseelemendile kõige sobivam kütus, katsetatakse ka metanooli ja maa-gaasi.
Kasutatud kirjandus:
http://www.ttu.ee/public/m/Mehaanikateaduskond/Instituudid/soojustehnika-instituut/oppematerjalid/kyte-ventilatsioon/15._Kutuseelemendid.pdf (08.05.2012)
http://www.loodusajakiri.ee/horisont/artikkel643_624.html (08.05.2012)
http://www.fyysika.ee/uudised/?p=3994 (08.05.2012)
http://uudised.err.ee/index.php?06183875 (08.05.2012)
http://www.ims.ut.ee/~alar/tegemised/teadus/AlariBaka.pdf (08.05.2012)
http://www.ttkool.ut.ee/Esitlusmaterjalid/Uued_elektrienergia_salvestamise_tehnoloogiad_Tavo_Romann.pdf (08.05.2012)