Kütuseelement toodab elektrit, kasutades energiat, mis vabaneb kütuse ja õhu segamisel; peamine lõpptulemus on vesi ja mõnikord ka süsinikdioksiid, kui kütus sisaldab süsinikku. Kõige tavalisem kütus kütuseelementides on vesinik, mis reageerides õhuhapnikuga tekitab ainult vett. Kütuseelemendid töötavad sarnaselt aku, kuid erinevalt akust toodavad nad pidevalt elektrit seni, kuni neid toidetakse kütusega. Just seepärast on kütuseelemendid oluline osa vesinikumajandusest.

Kütuseelemendi põhiline idee on elektrokeemiline reaktsioon: anoodil oksüdeeritakse kütus (näiteks vesinik) ja katoodil redukteeritakse hapnik, mille tulemusel vabaneb elekter, eraldub soojus ja moodustub vesi (või CO2, kui kasutatakse süsinikuga kütuseid). Tüüpiliselt koosneb kütuseelement anoodist, katoodist ja elektroliidist; mitme elemendi virnastamisel saab suurema pingeväljundi ja võimsuse.

Vesiniku tootmine on kütuseelementide kasutuse võtmekoht. Vesiniku molekule leidub sellistes ainetes nagu metaan, vesi ja biomass, kuid kõigil juhtudel on selle eraldamiseks vaja energiat. Vesiniku tootmiseks on kaks tavalist viisi:

  • See saadakse enamikust fossiilkütustest protsessis, mida nimetatakse aurureforminguks (steam methane reforming) — see on efektiivne, kuid sellega kaasneb süsinikdioksiidi eraldumine.
  • Või saab vesiniku eraldada veest, kasutades protsessi, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Kui elektrolüüsi teel veest eraldamiseks kasutatav energia pärineb päikese- või tuuleenergiast, on toodetud vesinik süsinikuneutraalne ehk „roheline“ — heitmeid ei eraldu.

Vesinikku saab eraldada ka taastuvast biogaasist, mis tähendab, et eralduv süsinik ei ole fossiilset päritolu ja on seega osa looduslikust süsinikuringest. Samuti on võimalik kasutada tehnikaid süsiniku püüdmiseks ja salvestamiseks (CCS), et vähendada süsiniku jalajälge, kui vesinik toodetakse fossiilsetest allikatest.

Tüübid ja rakendused. On mitmeid kütuseelemendi tehnoloogiaid, näiteks madala temperatuuriga polümeerne prootonvahetusmembraaniga kütuseelement (PEMFC), kõrge temperatuuriga tahkeoksiidkütuseelement (SOFC), aluselised, fosforhappe- ja sulamkustunud karbonaatkütuseelemendid. Erinevad tüübid sobivad erinevateks rakendusteks: PEMFC on levinud transpordis (autod, bussid), SOFC sobib hästi järelmajutuseks ja paigaldatavateks generaatoriteks, kõrgema efektiivsuse ja suurema töötemperatuuri tõttu.

Eelised ja piirangud.

  • Plussid: kõrge energiamuundamise efektiivsus (elektri- ja soojusenergia kombineerimisel võib tõhusus tõusta oluliselt), madalad kohalikud heitmed (eriti kui kasutatakse rohelist vesinikku), kiire tankimine (sõidukites) ja modulaarne paigutus.
  • Miinused: kulukad materjalid (näiteks plaatina katalüsaatorid), piiratud tarnevõrgud ja tankimisinfrastruktuur, vesiniku säästlik ja ohutu ladustamine/transport, ning kütuseelementide töökindlus ja eluiga tootmiskulude vähendamiseks.

Turvalisus ja ladustamine. Vesinik on kerge ja väga kergesti aurustuv gaas, mis on süttiv; seetõttu nõuab ladustamine kõrget rõhku (komprimeeritud gaas), vedeldamine madalatel temperatuuridel või keemilised kandjad (näiteks ammoonium või vedeludena organiseeritud kütused). Praktikas kasutatakse ka metallhüdriide ja aineid, mis siduvad vesiniku keemiliselt, et parandada ohutust ja tiheduse juhtimist. Õnnetuste vältimiseks on hädavajalikud lekkekindlad süsteemid, ventilatsioon ja andurid.

Kasutusvaldkonnad. Kütuseelemendid leiavad rakendust:

  • sõidukites (autod, kaubikud, bussid, rongid),
  • statsionaarsetes elektrijaamades ja majapidamise kombineeritud soojuse ja elektri tootmises (CHP),
  • ajutistes ja hädaolukorra varutoiteallikates,
  • kaugjuhtimisseadmetes ja kaasaskantavates toiteregistrites ning
  • ruumilennunduses (kus vesinikuga töötavad kütused on juba kaua ajalugu).

Tulevik ja väljakutsed. Kütuseelementide laiem levik sõltub peamiselt vesiniku tootmise süsinikuvabastamisest, infrastruktuuri arendamisest, materjalikulude langusest (eriti katalüsaatorite osas) ja regulatsioonide/stiimulite olemasolust. Kui elektrolüüsi ja taastuvenergia kombinatsioon laieneb, võib kütuseelementidel olla oluline roll süsinikuneutraalse energiataristu loomisel.

Kokkuvõttes võimaldavad kütuseelemendid toota elektrit tõhusalt ja keskkonnahoidlikult, eriti koos puhastest allikatest toodetud vesinikuga, kuid nende laialdane kasutuselevõtt eeldab tehnoloogilisi, majanduslikke ja infrastruktuurseid edusamme.