Kütuseelement

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.

Ajalugu
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. 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.

Ehitus 
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.

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.

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.

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 (H2) aatomeist eralduvad plaatinakatalüsaatori kaasabil elektronid (e‒), mis suunduvad välisahela (elektritarviti) kaudu katoodile; 
 vesiniku positiivsed ioonid, s.o prootonid (H+) difundeeruvad läbi polümeermembraani katoodi juurde;
 katoodil liituvad elektronid katalüsaatori toimel (õhu)hapniku (O2) molekulidega; nii moodustunud negatiivsed hapnikuioonid muutuvad prootonitega (H+) 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 (H2) ja süsinikdioksiid (CO2).

Kütuseelementide andmeid

Läbivooluelement

Kütuseelemendi eriliigiks võib pidada läbivooluelementi (inglise k flow battery), mis töötab vahetatava kütuseannusega.

Vaata ka 
Vesinikuenergeetika
Kütuseelementide vesinikuenergeetika
Tahkeoksiidne kütuseelement

Viited

Välislingid
Teaduse helisõnastik: Kütuselement (Gunnar Nurk) – ERR Teadus, 23. september 2010
 The leading authority on fuel cells
 Die Brennstoffzelle
Hausenergiesysteme mit Brennstoffzellen

Keemilised vooluallikad