Vesinikkütuseelement: kirjeldus, omadused, tööpõhimõte, foto

Kütuseelement on seade, mis tekitab elektrokeemilise reaktsiooni kaudu tõhusalt soojust ja alalisvoolu ning kasutab vesinikurikast kütust. Põhimõtteliselt sarnaneb see akuga. Struktuuriliselt on kütuseelementi esindatud katood, anood ja elektrolüüt. Kui imeline see on? Erinevalt akudest endist ei salvesta vesinikkütuseelemendid elektrit, ei vaja laadimiseks elektrit ega tühjene. Rakud jätkavad elektri tootmist seni, kuni neis on õhku ja kütust.

Iseärasused

Kütuseelemendid erinevad teistest elektrigeneraatoritest selle poolest, et nad ei põleta töötamise ajal kütust. Tänu sellele omadusele ei vaja nad kõrgsurverootoreid, ei tekita tugevat müra ja vibratsiooni. Kütuseelementides toodetakse elektrit vaikse elektrokeemilise reaktsiooni teel. Kütuse keemiline energia sellistes seadmetes muundatakse otse veeks, soojuseks ja elektriks.

Kütuseelemendid on väga tõhusad ega eralda suures koguses kasvuhoonegaase. Lahtri töö käigus eralduv toode on väike kogus vett auru ja süsihappegaasina, mis puhta vesiniku kütusena kasutamisel ei eraldu.

Välimuse ajalugu

1950 ja 1960. aastatel tõi NASA kasvav vajadus pikamaa kosmoselendude jaoks energiaallikate järele kaasa ühe tolle aja kõige olulisema kütuseelemendi väljakutseni. Leeliselemendid kasutavad kütusena hapnikku ja vesinikku, mis elektrokeemilise reaktsiooni käigus muutuvad kosmoselennu käigus kasulikeks kõrvalsaadusteks: elektriks, veeks ja soojuseks.

Kütuseelemendid avastati esmakordselt 19. sajandi alguses, 1838. aastal. Samal ajal ilmus esimene teave nende tõhususe kohta.

Tööd leeliselisi elektrolüüte kasutavate kütuseelementide kallal algasid 1930. aastate lõpus. Nikkeldatud kõrgsurveelektroodidega rakud leiutati alles 1939. aastal. Teise maailmasõja ajal töötati välja Briti allveelaevade kütuseelemendid, mis koosnesid umbes 25-sentimeetrise läbimõõduga leeliselistest elementidest.

Huvi nende vastu kasvas 1950.-1980. aastatel, mida iseloomustas kütteõli nappus. Riigid üle maailma on asunud õhu- ja keskkonnasaaste vastu võitlema, püüdes välja töötada keskkonnasõbralikke elektritootmise viise. Kütuseelementide tootmise tehnoloogia on praegu aktiivses arenduses.

Toimimispõhimõte

Kütuseelemendid toodavad soojust ja elektrit elektrokeemilise reaktsiooni kaudu, mis kasutab katoodi, anoodi ja elektrolüüti.

Katood ja anood on eraldatud prootonit juhtiva elektrolüüdiga. Pärast katoodile hapniku ja anoodile vesinikuga varustamist algab keemiline reaktsioon, mis toodab soojust, voolu ja vett.

Molekulaarne vesinik dissotsieerub anoodi katalüsaatoril, mille tulemuseks on elektronide kadu. Vesinikuioonid sisenevad katoodile läbi elektrolüüdi, elektronid aga läbivad välist elektrivõrku ja loovad alalisvoolu, mida kasutatakse seadmete toiteks. Katoodkatalüsaatoril olev hapnikumolekul ühineb sissetuleva elektroni ja prootoniga, moodustades lõpuks vee, mis on reaktsiooni ainus saadus.

Tüübid

Konkreetse kütuseelemendi tüübi valik sõltub selle rakendusest. Kõik kütuseelemendid jagunevad kahte põhikategooriasse: kõrge temperatuur ja madal temperatuur. Viimased kasutavad kütusena puhast vesinikku. Sellised seadmed nõuavad tavaliselt primaarse kütuse muutmist puhtaks vesinikuks. Protsess viiakse läbi spetsiaalse varustusega.

Kõrge temperatuuriga kütuseelemendid ei vaja neid, kuna need muundavad kütust kõrgel temperatuuril, välistades vajaduse vesiniku infrastruktuuri järele.

Vesinikkütuseelementide tööpõhimõte põhineb keemilise energia muundamisel elektrienergiaks ilma ebaefektiivsete põlemisprotsessideta ja soojusenergia muundamisel mehaaniliseks energiaks.

Üldmõisted

Vesinikkütuseelemendid on elektrokeemilised seadmed, mis toodavad elektrit ülitõhusa “külma” kütuse põletamise teel. Selliseid seadmeid on mitut tüüpi. Kõige lootustandvamaks peetakse PEMFC prootonivahetusmembraaniga varustatud vesinik-õhk kütuseelementide tehnoloogiat.

Prootoni juhtivusega polümeermembraan on mõeldud kahe elektroodi eraldamiseks: katood ja anood. Igaüht neist esindab süsinikmaatriks, millele katalüsaator sadestatakse. Molekulaarne vesinik dissotsieerub anoodi katalüsaatoril, loovutades elektrone. Katoodid liiguvad läbi membraani katoodile, kuid elektronid kantakse välisesse vooluringi, kuna membraan ei ole ette nähtud elektronide kandmiseks.

Katoodkatalüsaatoril olev hapnikumolekul ühineb elektriahela elektroni ja sissetuleva prootoniga, moodustades lõpuks vee, mis on reaktsiooni ainus saadus.

Vesinikkütuseelemente kasutatakse membraan-elektroodisõlmede tootmiseks, mis on energiasüsteemi peamised genereerivad elemendid.

Vesinikkütuseelementide eelised

Nende hulgas tuleks esile tõsta:

• Erisoojusvõimsuse suurenemine.
• Lai töötemperatuuri vahemik.
• Ei mingit vibratsiooni, müra ega kuumust.
• Külmkäivituse töökindlus.
• Isetühjenemise puudumine, mis tagab pika energia salvestamise perioodi.
• Piiramatu autonoomia tänu võimalusele reguleerida energiatarbimist kütusekassettide arvu muutmisega.
• Peaaegu igasuguse energiamahukuse tagamine, muutes vesiniku salvestusmahtu.
• Pikaajaline.
• Vaikne ja keskkonnasõbralik töö.
• Kõrge energiatarve.
• Vastupidavus vesiniku võõrlisanditele.

Kasutusala

Tänu oma kõrgele efektiivsusele kasutatakse vesinikkütuseelemente erinevates valdkondades:

• Kaasaskantavad laadijad.
• UAV-de toitesüsteemid.
• UPS.
• Muud seadmed ja seadmed.

Vesinikenergia väljavaated

Vesinikperoksiidil põhinevate kütuseelementide laialdane kasutamine saab võimalikuks alles pärast tõhusa vesiniku tootmise meetodi loomist. Selle tehnoloogia aktiivseks kasutamiseks on vaja uusi ideid, kusjuures suured lootused on pandud biokütuseelementide ja nanotehnoloogia kontseptsioonile. Mitmed ettevõtted on välja andnud suhteliselt tõhusaid erinevatel metallidel põhinevaid katalüsaatoreid, samal ajal on ilmunud teave membraanita kütuseelementide loomise kohta, mis on oluliselt vähendanud tootmiskulusid ja lihtsustanud selliste seadmete disaini. Vesinikkütuseelementide eelised ja omadused ei kaalu üles nende peamist puudust – kõrget hinda, eriti võrreldes süsivesinike seadmetega. Vesinikelektrijaama ehitamine nõuab vähemalt 500 000 dollarit.

Kuidas ehitada vesinikkütuseelementi?

Madala võimsusega kütuseelemendi saab ise luua tavalises kodu- või koolilaboris. Materjalidena kasutati vana gaasimaski, pleksiklaasi tükke, etüülalkoholi ja leelise vesilahust.

Vesinikkütuseelemendi korpus on valmistatud käsitsi pleksiklaasist paksusega vähemalt viis millimeetrit. Sektsioonide vahelised vaheseinad võivad olla õhemad – umbes 3 millimeetrit. Pleksiklaas liimitakse spetsiaalse kloroformil või dikloroetaanil põhineva liimiga ja pleksiklaasi laastudega. Kõik tööd tehakse ainult siis, kui õhupuhasti töötab.

Korpuse välisseina tehakse 5-6 sentimeetrise läbimõõduga auk, millesse torgatakse kummikork ja klaasist äravoolutoru. Gaasimaski aktiivsüsi valatakse kütuseelemendi korpuse teise ja neljandasse kambrisse – seda kasutatakse elektroodina.

Kütus hakkab ringlema esimeses kambris ja viies täidetakse õhuga, millest hapnik voolab. Elektroodide vahele valatud elektrolüüt on immutatud parafiini ja bensiini lahusega, nii et see ei satuks õhukambrisse. Vaskplaadid asetatakse kivisöekihile, mille külge on joodetud juhtmed, mille kaudu vool suunatakse.

Kokkupandud vesinikkütuseelemendisse valatakse veega vahekorras 1: 1 lahjendatud viin. Saadud segule lisatakse ettevaatlikult kaaliumhüdroksiid: 70 grammi kaaliumi lahustatakse 200 grammis vees.

Enne kütuseelemendi katsetamist vesinikuga valatakse kütus esimesse kambrisse ja elektrolüüt kolmandasse. Elektroodidega ühendatud voltmeetri näidud peaksid olema vahemikus 0,7–0,9 volti. Lahtri pideva töö tagamiseks on vajalik kasutatud kütus tühjendada ja kummivooliku kaudu uus kütus täita. Voolikule vajutamine reguleerib kütuse väljalaskekiirust. Sellistel omatehtud vesinikkütuseelementidel on vähe võimsust.