Keemilised vooluallikad (0)

Keemilised vooluallikad

Alalisvoolu saamiseks kasutatakse sageli keemilisi vooluallikaid. Need koosnevad positiivsest ja negatiivsest elektroodist ning elektroodide vahet täitvast elektrolüüdist ning muundavad keemilise energia vahetult elektrienergiaks. Keemilised vooluallikad on:
a) ühekordselt kasutatavad - galvaanielemendid ja kuivelemendid
b) korduvalt kasutatavad – akumulaatorid
Keemiliste vooluallikate tunnussuurusteks on:
1)nimipinge voltides (V)
2)mahtuvus ampertundides (Ah) – elektrihulk, mida värske element on võimeline andma kindlatel tühjendustingimustel.
3)säilimisaeg – ajavahemik , mille lõpul on toatemperatuuril säilitatud allikas alles veel kindel osa (nt. 90 %) mahtuvusest. Säilitamise piiraeg on elemendile märgitud.

Kütuseelement

Kütuseelemendi tööpõhimõtte avastas juba 1839.a uelslasest jurist ja füüsik sir William Robert Grove (1811-1896). Kütuseelemendis toimub kütuse elektrokeemiline oksüdatsioon (nn külmpõlemine), mille tulemusena saadakse nii elektrit kui ka soojust.
Kütusena kasutatakse kõige enam põlevgaase, nagu vesinik , süsinikoksiid, süsivesinikud, aga kasutatakse ka vedel- (hüdrasiin) ning tahkekütuseid (süsi). Oksüdeerijaks on tavaliselt hapnik – nii puhtal kujul kui ka õhu või vesinikperoksiidi koostises. Kütuseelement koosneb katalüsaatorit sisaldavatest (plaatina, nikkel ) poorsetest elektroodidest, mille vahel on elektrolüüt või ioonvahetusmembraan. Väga kõrgel temperatuuril võib katalüsaator ka puududa. Elektrolüüt saab olla vedel (alused, happed, sulatatud sooda) või tahke (metallioksiidid). Kütuseelemendi temperatuuriks loetakse elektrolüüdi töötemperatuuri. Elektroodid absorbeerivad ja aktiveerivad nii kütust kui oksüdeerijat. Keerukate redutseerumis-oksüdeerumisreaktsioonide tulemusena elektrolüüdi ja kütuse ( anoodil ) ning elektrolüüdi ja oksüdeerija (katoodil) vahel tekib elektroodidel potentsiaalide vahe (0,5–1,2 V). Kütuse sellisel oksüdatsioonil ehk nn külmpõlemisel on keemilise energia elektriks muundamise kasutegur kõrgem (40–90 %) kui soojuselektrijaamades (25–40 %), kus kütuse keemiline energia muundub kõigepealt soojuseks ja alles siis mehaanilise töö vahendusel elektrienergiaks. Suureks plussiks on müra ning heitainete puudumine, samuti väiksem mass ja mõõtmed kui teistel keemilistel elektrienergiaallikatel.
Reaktsioon tahke söega töötavas kütuseelemendis on järgmine:

C + 2H2O = CO2 + 4H+ + 4e-

Teoreetiliselt on reaktsiooni kasutegur 100 %! Ühe kütuseelemendi liigi moodustavad biokeemilised elemendid, mis töötavad orgaaniliste jäätmete bakteriaalsel oksüdatsioonil vabaneva energia arvel.
Lihtsaimaks ja tuntuimaks on vesinik-hapnikelement.
Hapnik-vesinikelement
Alljärgnevalt on illustreeritud puhtal vesinikul töötava kütuseelemendi töö põhimõte.
Kütuseelement koosneb kolmest põhiosast: anood , katood ja elektrolüüt. Anood ja katood on suure poorsusega materjalidest, millest gaasid läbi pääsevad. Sõltuvalt kütuseelemendi tüübist juhib anoodi ja katoodi vahel paiknev elektrolüüt kas hapniku ioone katoodilt anoodile või prootoneid anoodilt katoodile. Et protsess tasakaalustuks, liiguvad elektronid välist vooluringi mööda anoodilt tagasi katoodile, tekitades elektronide voo ehk elektri. Elektroodides toimuvate elektrokeemiliste protsesside ja elektrolüüdi takistuse tõttu tekib ka soojus.
Puhta vesiniku saamine ja kasutamine on täna veel liiga kulukas ning praktikas kasutatakse kütuseelemendis erinevaid vesinikku sisaldavaid aineid nagu maagaas, bensiin, metanool jne. Paraku tekib nende ainete kasutamisel kütuselemendis ka jääkaineid, kuid oluliselt vähem kui tavapärase elektritootmise puhul.
Kuna kütuseelemendis muundatakse keemiline energia otse elektrienergiaks, jättes vahele tavapärased põlemis- ja mehhaanilised protsessid, siis on kütuseelemendi kasutegur võrreldes tänapäeval kommertskasutuses olevate seadmetega tunduvalt suurem. Teoreetiliselt ei ole võimalik elektrit efektiivsemalt toota.
Tavapärasel elektritootmisel võib kasutegur olla vahemikus 15-30%. Kütuseelemendis elektri tootmisel ulatub kasutegur 60-70%-ni. Kasutades protsessi jääksoojust kütte- või jahutussüsteemides, on kogu süsteemi kasutegur üle 90% .
Kui kütuseelemendis kasutada kütusena vesinikku, on ainsaks "põlemisjäägiks" puhas vesi. Isegi süsinikku sisaldavate kütuste kasutamisel kütuselemendis on CO2 (süsinikdioksiidi ehk nn kasvuhoonegaasi) jäägid tavapäraste põlemisprotsessidega võrreldes 40-60% väiksemad. Oluliselt väheneb inimesele kahjulike lämmastik- ja vääveloksiidide ning tahkete osiste emissioon . Tänu kütuseelemendi suurele kasutegurile on võimalik ohjeldada tänast fossiilsete kütuste raiskamist ning oluliselt vähendada keskkonna saastamist.

Cu-Zn element

Kui elektrolüüdi (nt. soolhappe HCl) vesilahusesse lasta tsingist elektrood , algab keemiline reaktsioon, mille käigus Zn tõrjub lahusest välja temast elementide aktiivsuse reas tagapool paikneva vesiniku. Et tsinkelektroodi juures saaks tekkida ZnCl molekul , peab elektrood ära andma ühe Zn+ iooni, mille tagakjärjel saab algselt neutraalne elektrood lahuse suhtes negatiivse laengu. Selline elektrood tõmbab ligi positiivseid vesinikuioone, mis aga tsingiga ei reageeri. Seetõttu toimub ainult Zn-elektroodi ” lahustumine ”, mille käigus tema negatiivne laeng kasvab seni, kuni selle elektriväli ei lase enam ligi kloori ioone. Tulemusena omandab elektrood lahuse suhtes kindla potentsiaali, mille suurus ligikaudu võrdub ühendi ZnCl keemilise seose potentsiaaliga. Kui nüüd laseme lahusesse teise, neutraalse Cu-elektroodi, saame vooluallika, mille elektromotoorjõud vastab keemiliselt kujunenud potentsiaalide vahele. Kui elektroodid ühendada, tekib vool, mille tugevus sõltub elektromotoorjõust, juhtme takistusest ja lahuses toimuva reaktsiooni kiirusest - viimane määrab meie vooluallika sisetakistuse.

Kuivelement

Kuivelement on galvaani- või Leclanché element, mille vedel elektrolüüdilahus on muudetud voolamise vältimiseks pastaks või geeliks. Selleks on elektrolüüdile lisatud kas tärklist, jahu, ligniini või muud sarnast.
Galvaanielement ehk element on Luigi Galvani järgi nime saanud elektrivoolu allikas, mis muudab keemilise energia vahetult elektrienergiaks. Galvaanielement on ühekordse kasutusega, erinevalt akust ei saa seda uuesti laadida .
Galvaanielement koosneb negatiivsest elektroodist (korpus) tavaliselt (tsink) ja positiivsest elektroodist (vask, süsi või metallioksiid), mis on sukeldatud pastataolisesse või vedelasse (mitte kuivelementidel) massi.
Galvaanielemendis tekkib elektrivool vooluringi ühendamisel positiivsel elektroodil redutseerumis- ja negatiivsel oksüdeerumisreaktsiooni tulemusel. Elemendi elektromotoorjõud sõltub elektroodide materjalist ja elektrolüüdi koostisest ning voolutugevuse piirväärtus elektroodide kujust ja keemiliste reaktsioonide kiirusest.

Li- ioon akud

Liitiumakud leiutati teadlase Bell Labs poolt, kes avastas et grafiitne süsinik omab pöörduvat liitiumi mahtuvust, samal aastal sai idee ka patendi vääriliseks(1981. aasta) Järgnevad fundamentaaluuringud teadlaste grupi poolt eesotsas John Goodenough’ ga päädisid esimese töötava liitiumioon aku tootmisega Sony poolt aastal 1991. Li-ioon akud erinevad teistest akutüüpidest seetõttu, et nendes kasutatav elektrolüüt koosneb veevabast orgaanilisest lahustist ja lahustunud liitiumi soolast. Seetõttu on selline süsteem hermeetiliselt suletud , et vältida õhuniiskuse ja hapniku juurdepääsu. Veevaba elektrolüüdi kasutamine lubab üksikelemendi tööpinge tõsta üle 4,0 V. Elektroodi materjalidena kasutatakse negatiivsel poolel grafiitset süsinikku (C) ja positiivsel poolel mõnda sobivat metallide oksiidi näiteks LiMn2O4, LiCoO4, jt. Liitiumaku laadimisel toimub metalloksiid lahustumine elektroodil (+), liitiumi ioniseerumine Li+ iooniks ja grafiit elektroodil (-) liitiumiioonide uuesti neutraliseerumine vabaks liitiumiks. Aku tühjenemisel leiab aset pöördprotsess. Nende protsesside pöörduvaks toimumiseks (aku laitmatuks töötamiseks) on oluline komponentmaterjalide kõrge puhtus ja hoolikalt kontrollitud töörežiimid. Mõlemate faktorite koosmõju on olnud pikemat aega üheks Li-ioonakude kasutust pidurdavaks teguriks .

Pliiaku

Happe- ehk pliiakud koosnevad klaasist, eboniidist või plastist anumast milles kasutatakse elektrolüüdina väävelhappe kindlaksmääratud tihedusega vesilahust. Anumasse on paigutatud pliioksiidist valmistatud positiivne elektrood ehk anood ja pliist negatiivne elektrood ehk katood.
Täislaetud Pliiaku pinge on 2,1 volti ja kasutegur kuni 80 %.
Pliiaku leiutas 1859. aastal füüsik Gaston Planté. Tänapäeval on pliiakud laialt kasutusel mitmes valdkonnas. Nende valik on suur ning tootmistehnoloogia hästi välja töötatud, nad on teistest akudest odavamad, ohutumad ja töökindlamad. Pliiakude miinuseks on nende suur kaal ja mõõtmed, ka on nende töökindlus madalatel temperatuuridel halb.