Lehekülje Polümeerelektrolüüt-kütuseelement lähteteksti vaatamine

'''Polümeerelektrolüüt-kütuseelement''' (PEKE) ehk '''prootonivahetusmembraaniga kütuseelement''' on vooluallikas, mis muundab vesiniku ja hapniku vahelise reaktsiooni käigus eralduva [[keemiline energia|keemilise energia]] [[elektrienergia]]ks <ref name="UXGc0" />. Teistest [[kütuseelement|kütuseelementidest]] erineb PEKE madala töötemperatuuri (50–100&nbsp;°C) ja temas kasutusel oleva polümeerelektrolüütmembraani (PEM) poolest. PEM on poolläbilaskev [[Membraan (tehnika)|membraan]], mis on [[prooton]]itele läbitav, kuid läbimatu [[elektron]]idele ja gaasidele nagu vesinik ja hapnik.<ref name="Peighamb" />

Viimase kahe kümnendi jooksul on PEKEt peetud üheks paljulubavamaks alternatiivseks energiaallikaks. PEKE eelisteks on tema suur energiatihedusus ning madal töötemperatuur ja väike [[emissioon]]. PEKEt peetakse kõige loodussõbralikumaks kütuseelemendiks, sest lisaks elektrivoolule tekivad vaid [[soojus]] ja vesi ning kütustena kasutab PEKE looduses küllaldaselt leiduvat vesinikku ja hapnikku.<ref name="Liu" />

Kuigi PEKE võimsustiheduses, stabiilsuses ja teistes olulistes parameetrites on hiljuti tehtud edasiminekuid, on jäänud mitmeid probleeme, mis tuleb lahendada PEKE kommertskasutusse võtmiseks.<ref name="Liu" /> Üheks suureks probleemiks on PEKE kõrge hind. Siiski on võrreldes teiste kütuseelementidega PEKE võimsustihedus suhteliselt suur ning tema eluiga võib ületada 40 000 tundi. PEKE kasutegur (kui suurest osast keemilisest energiast saab elektrienergia) on siiski pigem keskmine, jäädes 45–60% vahele.<ref name="Peighamb" />

==Ajalugu==
1950. aastal muutus kättesaadavaks materjal, mida nimetatakse tefloniks ([[polütetrafluoroetüleen]] ehk PTFE). Seda kasutati kahte sorti kütuseelementides: plaatinast elektroodide ja happelise [[elerktrolüüt |elektrolüüdiga]] kütuseelementides ning süsinikelektroodide ja aluselise elektrolüüdiga kütuseelementides.<ref name="Andujar" />

Thomas Grubb, General Electric Company (GE) keemik, muutis aastal 1955 kütuseelemendi esialgset ehitust. Ta võttis elektrolüüdina kasutusele sulfoneeritud [[polüstüreen]]ist ioonjuhtiva membraani. Aastal 1958 leidis üks teine GE keemik, Leonard Niedrach, viisi kuidas katta Thomas Grubbi kasutusele võetud membraan [[plaatina]]ga. Plaatina oli vajalik [[katalüüs]]imaks vesiniku oksüdeerumise ja hapniku redutseerumise protsesse.<ref name="Andujar" />

1960. aastate keskel lõi GE koostöös USA mereväega väikese kütuseelemendi, mis kasutas kütusena vesinikku. Vesinikku saadi vee ja [[liitiumhüdriid|liitiumhüdriidi]] segamisel. Selline kütuseelement oli kompaktne ja kaasaskantav, kuid plaatinakatalüsaatori tõttu kallis.<ref name="UXWMM" />

Esimestes PEM-kütuseelementides kasutati kalleid materjale ning need vajasid töötamiseks väga puhast vesinikku ja hapnikku. Nende töötemperatuur oli mitmete rakenduste jaoks liialt kõrge. Seetõttu kasutati PEM-kütuseelemente alguses vaid kosmosetehnikas. Alles 1980. ja 1990. aastatel hakkas PEM-kütuseelementide hind langema ning neid hakati kasutama ka muudes valdkondades.<ref name="E6UB0" />

==Ehitus== 
Polümeerelektrolüüt-kütuseelemendi kõige tähtsamaks osaks loetakse membraanelektroodide süsteemi (''membrane electrode assembly'', lühend MEA), mis koosneb PEMist, katalüsaatori kihtidest ning elektroodidest. Enamasti valmistatakse kõik need osad eraldi ning pressitakse seejärel kokku ühtseks elemendiks.<ref name="Litster" />

Üks võimalus muuta MEA efektiivsemaks on parandada membraani (elektrolüüdi) ja katalüsaatorikihi vahelist kontakti. Viimasel ajal on palju uuritud katalüsaatoriga kaetud membraane. Katalüsaatori kandmine otse membraanile annab mitmeid eeliseid, näiteks väheneb kasutatava plaatina kogus.<ref name="Liu" />

PEKEs on kasutusel ka niisutussüsteem, mille abil välditakse membraani kuivamist. Et vähendada niisutamise vajadust, on hiljuti asutud välja töötatama iseniisutussüsteemiga MEA-sid. Need põhinevad enamasti kas [[Nafion]]i membraani [[pihussüsteem|dispergeeritud]] plaatina osakestel, mille tõttu hapniku redutseerumine leiab aset sügavamal membraanis, mitte selle pinnal (vesi tekib membraanis) või PEKE sellisel ehitusel, et niisutamiseks oleks võimalik kasutada tekkinud vett.<ref name="Liu" />

MEA paikneb kahe elektrit juhtiva bipolaarse plaadi vahel. Bipolaarsetes plaatides on palju gaasikanaleid, mille kaudu juhitakse gaas elektroodidele ning kõik kõrvalsaadused ja üleliigne gaas kütuseelemendist välja.<ref name="nedstack" />

==Tööpõhimõte==
[[Pilt:PEKE_tööpõhimõte.gif|pisi|PEKE tööpõhimõtte skeem]]
PEKE kasutab kütusena vesinikku, mis oksüdeeritakse [[anood]]il, ja hapnikku, mis redutseeritakse [[katood]]il. Vesiniku oksüdeerumisel vabanevad prootonid ja elektronid. Tekkinud prootonid liiguvad läbi PEMi katoodile. Kuna PEM ei juhi elektrit ning seetõttu elektronid seda läbida ei saa, liiguvad elektronid katoodile läbi välise vooluahela ja tekib [[elektrivool]]. Katoodil ühineb hapnik prootonitega ning toimub tema redutseerumine veeks. Lisaks elektrivoolule ja veele toodab PEKE kõrvalsaadusena ka soojust ning tema efektiivsus jääb tüüpiliselt 45–60% vahele.<ref name="Peighamb" /><ref name="Litster" /><ref name="Lee" /><ref name="Gara" />

Sellise elemendi [[elektripinge |pinge][ on teoreetiliselt 1,229 V, kuid praktikas nii kõrget pinget saadud ei ole. Enamasti jääb üksiku elemendi pinge vahemikku 0,5–1 V. Harilikult ühendatakse mitu üksikelementi omavahel jadamisi ja rööbiti,et saavutada suuremat [[võimsus]]t.<ref name="Litster" /><ref name="nedstack" /><ref name="Gara" /> Konkreetse kütuseelemendi võimsus oleneb ka tema suurusest.  Koos elemendi pindala suurendamisega suureneb süsteemi läbiv [[elektrilaeng]].<ref name="nedstack" />

==Elektroodide reaktsioonid==
PEKE andoodile juhitakse gaasiline vesinik, mis oksüdeerub [[prooton]]iteks ja vabanevad [[elektron]]id:<ref name="Lee" />:

<math>H_2 \longrightarrow 2H^+ + 2e^-</math>

Katoodil ühineb hapnik prootonitega ja redutseerub veeks. Hapniku redutseerumise reaktsioon (ORR) võib olla kas otsene neljaelektroonne protsess või kaheelektroonne protsess, mille käigus tekib [[vesinikperoksiid]]. ORRi mehhanism oleneb ka keskkonna [[pH]]-st. PEMi puhul on enamasti tegemist happelise keskkonnaga. Happelises keskkonnas redutseerub hapnik vastavalt järgmistele võrranditele<ref name="Gara" />:

kas neljaelektroonse protsessina:
 
<math>O_2 + 4H^+ + 4e^- \longrightarrow 2H_2O</math>

või kaheelektroonse protsessina:

<math>O_2 + 2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2O_2</math>

<math>H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \longrightarrow 2H_2O</math>
 
Seejuures on kaheelektroonne protsess nii happelises kui ka aluselises keskkonnas kaheetapiline ning summaarne reaktsioon on sama mis neljaelektroonse protsessi puhul.<ref name="Gara" />

PEKE töö põhineb hapniku redutseerumise reaktsioonil, mida katalüüsib katoodil olev [[katalüsaator]]. Kalli plaatina asendamiseks uuritakse ka teisi metalle sisaldavaid katalüsaatoreid. Hapniku redutseerumise reaktsioon kulgeb plaatinal väga suures osas neljaelektroonse protsessina, kuid mingil määral ka kaheelektroonse protsessina. Kaheelektroonse protsessi käigus tekib vesinikperoksiid, mis võib laguneda OH-[[radikaal]]ideks. OH-radikaalid kujutavad ohtu polümeerelektrolüütmembraanile, rünnates ionomeeri ahela [[karboksürühm|karboksüülseid]] lõpurühmi, mis on tekkinud [[polümerisatsioon|polümeriseerumise]] käigus.<ref name="Gara" />

==Polümeerelektrolüütmembraan==
Polümeerelektrolüütmembraanil on kütuseelemendis kaks põhilist rolli: tõhusalt eraldada omavahel kütus ja oksüdeerija, vältides segunemist, ning prootonite transportimine anoodilt katoodile, et vesiniku ja hapniku vaheline [[redoksreaktsioon]] saaks toimuda. PEMilt on nõutavad järgmised omadused: hea ioonjuhtivus, kuid ühtlasi võime toimida [[isolaator]]ina; painduvuse säilimine ka kuivana; [[homogeenne süsteem|homogeensus]]; gaasi mitteläbilaskvus; keemiline stabiilsus ja vastupidavus redoksreaktsioonile; termiline ja hüdrolüütiline stabiilsus; võime moodustad õhukesi kilesid; mehaaniline tugevus.<ref name="Lee" />

Enamasti on polümeerelektrolüütmembraani puhul tegu [[perfluorosulfonaat]]-ionomeeriga. Kõige rohkem on kasutusel Nafioni ionomeer, mille eelisteks on keemiline stabiilsus, hea ioonjuhtivus ja mehaaniline tugevus. Nafioni ionomeeri suurimaks miinuseks on märgatav ioonjuhtivuse vähemine eralduva vee tõttu temperatuuridel üle 100 kraadi.<ref name="Lee" /><ref name="Gara" />

==Vaata ka==
*[[Kütuseelement]]
*[[Tahkeoksiidne kütuseelement]]
*[[Otsemetanool-kütuseelement]]

==Viited==
{{viited|allikad=
<ref name="UXGc0">[http://www.hydrogenics.com/technology-resources/hydrogen-technology/fuel-cells Fuel Cells]. Hydrogenics.com. Kasutatud 22.09.2014</ref>
<ref name="Peighamb">Peighambardoust, S.J.; Rowshanzamir, S.; Amjadi, M. Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications. ''Int. J. Hydrogen Energ.''. '''2010''', 35, 17, 9349–9384.</ref>
<ref name="Liu">Liu, C.-Y.; Sung, C.-C. A review of the performance and analysis of proton exchange membrane fuel cell membrane electrode assemblies. ''J. Power Sources''. '''2012''', 220, 348–353.</ref>
<ref name="Andujar">Andújar, J.M.; Segura, F. Fuel cells: History and updating. A walk along two centuries. ''Renew. Sust. Energ. Rev.''. '''2009''', 13, 9, 2309–2322.</ref>
<ref name="UXWMM">[http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm#fun PEM Fuel Cells]. Americanhistory.si.edu. Kasutatud 22.09.2014</ref>
<ref name="E6UB0">Eberle, U.; Müller, B.; Helmolt, R. Fuel cell electric vehicles and hydrogen infrastructure: status 2012. ''Energy Environ. Sci.''. '''2012''', 5, 8780–8798.</ref>
<ref name="Litster">Litster, S.; McLean, G. PEM fuel cell electrodes. ''J. Power Sources''. '''2004''', 130, 61–76.</ref>
<ref name="nedstack">[https://web.archive.org/web/20141026221042/http://www.nedstack.com/faq/about-pem-fuel-cells About PEM Fuel Cells]. Nedstack.com. Kasutatud 22.09.2014</ref>
<ref name="Lee">Lee, J. S.; Quan, N. D. Polymer Electrolyte Membranes for Fuel Cells. ''J. Ind. Eng. Chem.''. '''2006''', 12, 2, 175–183.</ref>
<ref name="Gara">Gara, M.; Compton, R. G. Activity of carbon electrodes towards oxygen reduction in acid: A comparative study. ''New J. Chem.''. '''2011''', 35, 2647–2652.</ref>
}}

[[Kategooria:Energeetika]]
[[Keemilised vooluallikad]]