Prootonivahetusmembraanid kütuseelementide jaoks

1.1 ülevaade

Energiapuuduse probleem muutub kogu maailmas üha tõsisemaks.Traditsiooniline fossiilkütus ei ole taastuv ja selle protsessi kasutamine põhjustas tõsist keskkonnareostust.Suurem osa energia muundamisest saavutatakse aga soojusmasina protsessiga, mis on ebaefektiivne.Viimase 30 aasta jooksul on fossiilkütused vähenenud ja nõudlus puhta energia järele on suurenenud.Keskkonnasõbraliku taastuvenergia otsimine on 21. sajandi inimeste ees tõsine ülesanne.Seetõttu on eelnimetatud traditsioonilisest energeetikast tulenevaid probleeme silmas pidades järjest ulatuslikumad teadusuuringud energia muundamise efektiivsuse tõstmise ja puhta uue energia otsimise alal.

Kütuseelement on uut tüüpi energiatehnoloogia, mis muudab kütuse keemilise energia elektrokeemilise reaktsiooni kaudu otse elektriks.Pealegi ei piira seda geograafilised ja geograafilised tingimused.Viimastel aastatel on kütuseelemente kiiresti arendatud ja neid on kasutatud erinevates valdkondades.

1.2 Kütuseelemendid

Kütuseelemendid ei ole Carnot' tsükliga piiratud ja neil on kõrge teoreetiline energia muundamise määr (80% kasutegur alla 200 °C). Praktikas on efektiivsus kaks kuni kolm korda suurem kui tavalistel sisepõlemismootoritel. Kütusena kasutatakse vesinikku, metanooli, süsivesinikke ja muid vesinikurikkaid aineid, mis on keskkonnasõbralik.Seetõttu on kütuseelementidel laialdased kasutusvõimalused.Kütuseelementide koostise, klassifikatsiooni ja omaduste osas tutvustatakse konkreetselt järgmist kolme aspekti:

1.2.1 Kütuseelementide koostis

Kütuseelement on sisuliselt vee elektrolüüsi pöördseade.Kütuseelemendis reageerivad vesinik ja hapnik keemiliselt, moodustades vett ja eraldades elektrit.Kütuseelemendi põhistruktuur koosneb anoodist, katoodist ja elektrolüüdist.Tavaliselt sisaldavad anood ja katood teatud koguses katalüsaatorit, et kiirendada elektroodil toimuvat elektrokeemilist reaktsiooni.Kahe pooluse vahel on elektrolüüdid, mida saab jagada viide tüüpi: aluseline, fosfaat, tahke oksiid, sulakarbonaat ja prootonivahetusmembraan.Võtke näiteks H/O kütuseelement (joonis 1-1): H siseneb kütuseelemendi anoodiosasse ja anoodil olev plaatinakiht muudab vesiniku prootoniteks ja elektronideks.Vahepealne elektrolüüt laseb prootonitel läbida ainult kütuseelemendi katoodosa.Elektronid voolavad läbi välimise ahela katoodile, moodustades voolu.Hapnik läheb kütuseelemendi katoodile ja ühineb prootonite ja elektronidega, moodustades vee.