Քիմիական հոսանքի աղբյուրները (կրճատ՝ HIT) սարքեր են, որոնցում ռեդոքսային ռեակցիայի էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի։ Նրանց մյուս անվանումներն են՝ էլեկտրաքիմիական բջիջ, գալվանական բջիջ, էլեկտրաքիմիական բջիջ։ Նրանց գործունեության սկզբունքը հետևյալն է՝ երկու ռեակտիվների փոխազդեցության արդյունքում առաջանում է քիմիական ռեակցիա՝ ուղղակի էլեկտրական հոսանքից էներգիայի արտազատմամբ։ Այլ ընթացիկ աղբյուրներում էլեկտրաէներգիայի արտադրության գործընթացը տեղի է ունենում բազմաստիճան սխեմայի համաձայն: Սկզբում ջերմային էներգիան ազատվում է, այնուհետև այն վերածվում է մեխանիկական էներգիայի, իսկ հետո միայն էլեկտրական էներգիայի։ HIT-ի առավելությունը միաստիճան պրոցեսն է, այսինքն՝ էլեկտրաէներգիա է ստացվում անմիջապես՝ շրջանցելով ջերմային և մեխանիկական էներգիայի ստացման փուլերը։
Պատմություն
Ինչպե՞ս են հայտնվել առաջին ընթացիկ աղբյուրները: Քիմիական աղբյուրները կոչվում են գալվանական բջիջներ ի պատիվ տասնութերորդ դարի իտալացի գիտնական Լուիջի Գալվանիի: Եղել է բժիշկ, անատոմ, ֆիզիոլոգ և ֆիզիկոս։ Նրա ուղղություններից մեկըհետազոտությունը կենդանիների ռեակցիաների ուսումնասիրությունն էր տարբեր արտաքին ազդեցությունների նկատմամբ: Էլեկտրաէներգիա արտադրելու քիմիական մեթոդը Գալվանին հայտնաբերել է պատահաբար՝ գորտերի վրա կատարած փորձերից մեկի ժամանակ։ Նա երկու մետաղական թիթեղ է միացրել գորտի ոտքի մերկացած նյարդին։ Սա հանգեցրեց մկանների կծկմանը: Գալվանիի սեփական բացատրությունն այս երեւույթի վերաբերյալ ճիշտ չէր: Սակայն նրա փորձերի և դիտարկումների արդյունքները օգնեցին իր հայրենակից Ալեսանդրո Վոլտային հետագա ուսումնասիրություններում:
Վոլտան իր աշխատություններում ուրվագծել է գորտի մկանային հյուսվածքի հետ շփվող երկու մետաղների միջև քիմիական ռեակցիայի արդյունքում էլեկտրական հոսանքի առաջացման տեսությունը։ Քիմիական հոսանքի առաջին աղբյուրը նման էր աղի աղի կոնտեյների, որի մեջ ընկղմված էին ցինկի և պղնձի թիթեղներ։
HIT-ը սկսեց արտադրվել արդյունաբերական մասշտաբով 19-րդ դարի երկրորդ կեսին, շնորհիվ ֆրանսիացի Լեքլանշի, ով հորինեց աղի էլեկտրոլիտով առաջնային մանգան-ցինկ բջիջը, որն անվանվեց իր անունով: Մի քանի տարի անց այս էլեկտրաքիմիական բջիջը կատարելագործվել է մեկ այլ գիտնականի կողմից և եղել է միակ հիմնական քիմիական հոսանքի աղբյուրը մինչև 1940 թվականը:
Դիզայն և շահագործման սկզբունք ՀԻԹ
Քիմիական հոսանքի աղբյուրների սարքը ներառում է երկու էլեկտրոդներ (առաջին տեսակի հաղորդիչներ) և նրանց միջև տեղակայված էլեկտրոլիտ (երկրորդ տեսակի հաղորդիչ կամ իոնային հաղորդիչ): Նրանց միջև սահմանին առաջանում է էլեկտրոնային ներուժ: Էլեկտրոդ, որի վրա օքսիդացվում է վերականգնող նյութըկոչվում է անոդ, իսկ այն, որի վրա օքսիդացնող նյութը կրճատվում է, կոչվում է կաթոդ։ Նրանք էլեկտրոլիտի հետ միասին կազմում են էլեկտրաքիմիական համակարգը։
Էլեկտրոդների միջև ռեդոքս ռեակցիայի կողմնակի արտադրանքը էլեկտրական հոսանքի առաջացումն է: Նման ռեակցիայի ժամանակ վերականգնող նյութը օքսիդանում է և էլեկտրոններ է նվիրում օքսիդացնող նյութին, որն ընդունում է դրանք և դրանով իսկ փոքրանում։ Ռեակցիայի համար անհրաժեշտ պայման է կաթոդի և անոդի միջև էլեկտրոլիտի առկայությունը։ Եթե դուք ուղղակի խառնեք երկու տարբեր մետաղներից փոշիներ, ապա էլեկտրականություն չի արձակվի, ամբողջ էներգիան կթողարկվի ջերմության տեսքով: Էլեկտրոլիտ է անհրաժեշտ՝ էլեկտրոնների փոխանցման գործընթացը հեշտացնելու համար: Ամենից հաճախ դա աղի լուծույթ է կամ հալված:
Էլեկտրոդները նման են մետաղական թիթեղների կամ ցանցերի: Երբ դրանք ընկղմվում են էլեկտրոլիտի մեջ, նրանց միջև առաջանում է էլեկտրական պոտենցիալների տարբերություն՝ բաց շղթայի լարում։ Անոդը հակված է նվիրաբերելու էլեկտրոններ, մինչդեռ կաթոդը հակված է ընդունելու դրանք: Դրանց մակերեսի վրա սկսվում են քիմիական ռեակցիաները։ Նրանք դադարում են, երբ միացումը բացվում է, ինչպես նաև, երբ ռեակտիվներից մեկը սպառվում է: Շղթայի բացումը տեղի է ունենում, երբ էլեկտրոդներից կամ էլեկտրոլիտից մեկը հանվում է:
Էլեկտրաքիմիական համակարգերի կազմը
Քիմիական հոսանքի աղբյուրները որպես օքսիդացնող նյութեր օգտագործում են թթվածին պարունակող թթուներ և աղեր, թթվածին, հալոգենիդներ, բարձր մետաղների օքսիդներ, ազոտային օրգանական միացություններ և այլն: Մետաղները և դրանց ստորին օքսիդները, ջրածինը դրանցում վերականգնող նյութեր են:և ածխաջրածնային միացություններ։ Ինչպես են օգտագործվում էլեկտրոլիտները:
- Թթուների, ալկալիների, աղի և այլնի ջրային լուծույթներ
- Իոնային հաղորդունակությամբ ոչ ջրային լուծույթներ՝ ստացված աղերը օրգանական կամ անօրգանական լուծիչներում լուծելով։
- Հալած աղեր.
- Պինդ միացություններ իոնային ցանցով, որոնցում իոններից մեկը շարժական է։
- Մատրիցային էլեկտրոլիտներ. Սրանք հեղուկ լուծույթներ կամ հալվածքներ են, որոնք տեղակայված են պինդ ոչ հաղորդիչ մարմնի ծակոտիներում՝ էլեկտրոնային կրիչով:
- Իոնափոխանակման էլեկտրոլիտներ. Սրանք պինդ միացություններ են՝ նույն նշանի ֆիքսված իոնոգեն խմբերով։ Մյուս նշանի իոնները շարժական են։ Այս հատկությունը նման էլեկտրոլիտի հաղորդունակությունը դարձնում է միաբևեռ։
Գալվանական մարտկոցներ
Քիմիական հոսանքի աղբյուրները բաղկացած են գալվանական բջիջներից՝ բջիջներից: Այս խցերից մեկում լարումը փոքր է՝ 0,5-ից մինչև 4 Վ: Կախված անհրաժեշտությունից, HIT-ում օգտագործվում է գալվանական մարտկոց, որը բաղկացած է մի քանի շարքով միացված բջիջներից։ Երբեմն օգտագործվում է մի քանի տարրերի զուգահեռ կամ շարքային զուգահեռ կապ: Միայն միանման առաջնային բջիջները կամ մարտկոցները միշտ ներառված են մի շարք սխեմայի մեջ: Նրանք պետք է ունենան նույն պարամետրերը՝ էլեկտրաքիմիական համակարգ, դիզայն, տեխնոլոգիական տարբերակ և ստանդարտ չափս։ Զուգահեռ միացման համար ընդունելի է օգտագործել տարբեր չափերի տարրեր։
HIT դասակարգում
Քիմիական հոսանքի աղբյուրները տարբերվում են՝
- չափ;
- դիզայն;
- ռեակտիվներ;
- էներգիա առաջացնող ռեակցիայի բնույթը:
Այս պարամետրերը որոշում են HIT-ի կատարողականի հատկությունները, որոնք հարմար են որոշակի հավելվածի համար:
Էլեկտրաքիմիական տարրերի դասակարգումը հիմնված է սարքի աշխատանքի սկզբունքի տարբերության վրա։ Կախված այս հատկանիշներից՝ նրանք առանձնացնում են՝
- Քիմիական հոսանքի առաջնային աղբյուրները միանգամյա օգտագործման տարրեր են: Նրանք ունեն ռեագենտների որոշակի պաշար, որը սպառվում է ռեակցիայի ժամանակ։ Ամբողջական լիցքաթափումից հետո նման բջիջը կորցնում է իր ֆունկցիոնալությունը: Մեկ այլ կերպ, առաջնային HIT-ները կոչվում են գալվանական բջիջներ: Ճիշտ կլինի դրանք անվանել պարզապես՝ տարր։ Առաջնային էներգիայի աղբյուրի ամենապարզ օրինակներն են «մարտկոցները» A-A:
- Վերալիցքավորվող քիմիական հոսանքի աղբյուրներ - մարտկոցները (դրանք կոչվում են նաև երկրորդական, հետադարձելի HIT) բազմակի օգտագործման բջիջներ են: Արտաքին շղթայից հակառակ ուղղությամբ հոսանք անցնելով մարտկոցի միջով, լրիվ լիցքաթափվելուց հետո, ծախսված ռեակտիվները վերականգնվում են՝ կրկին կուտակելով քիմիական էներգիա (լիցքավորում): Արտաքին մշտական հոսանքի աղբյուրից վերալիցքավորվելու հնարավորության շնորհիվ այս սարքն օգտագործվում է երկար ժամանակ՝ վերալիցքավորման ընդմիջումներով։ Էլեկտրական էներգիայի առաջացման գործընթացը կոչվում է մարտկոցի լիցքաթափում: Նման HIT-ները ներառում են բազմաթիվ էլեկտրոնային սարքերի (նոութբուքեր, բջջային հեռախոսներ և այլն) մարտկոցներ։
- Ջերմային քիմիական հոսանքի աղբյուրներ՝ շարունակական սարքեր։ ATդրանց աշխատանքի ընթացքում կա ռեագենտների նոր մասերի շարունակական հոսք և ռեակցիայի արտադրանքի հեռացում։
- Համակցված (կիսավառելիքի) գալվանական բջիջները ունեն ռեակտիվներից մեկի պաշար: Երկրորդը սարքի մեջ սնվում է դրսից: Սարքի կյանքը կախված է առաջին ռեագենտի մատակարարումից: Էլեկտրական հոսանքի համակցված քիմիական աղբյուրները օգտագործվում են որպես մարտկոցներ, եթե հնարավոր է դրանց լիցքը վերականգնել արտաքին աղբյուրից հոսանք փոխանցելու միջոցով։
- HIT վերականգնվող վերալիցքավորվող մեխանիկական կամ քիմիական եղանակով: Նրանց համար հնարավոր է ամբողջությամբ լիցքաթափվելուց հետո օգտագործված ռեակտիվները փոխարինել նոր չափաբաժիններով։ Այսինքն՝ դրանք անընդհատ սարքեր չեն, այլ, ինչպես մարտկոցները, պարբերաբար լիցքավորվում են։
HIT-ի առանձնահատկություններ
Քիմիական էներգիայի աղբյուրների հիմնական բնութագրերը ներառում են՝
- Բաց շղթայի լարում (ORC կամ լիցքաթափման լարում): Այս ցուցանիշը, առաջին հերթին, կախված է ընտրված էլեկտրաքիմիական համակարգից (վերականգնող նյութի, օքսիդացնող նյութի և էլեկտրոլիտի համակցություն): Նաև NRC-ի վրա ազդում է էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան, արտանետման աստիճանը, ջերմաստիճանը և այլն: NRC-ը կախված է HIT-ով անցնող հոսանքի արժեքից:
- Power.
- Լիցքաթափման հոսանքը - կախված է արտաքին շղթայի դիմադրությունից:
- Հզորություն. էլեկտրաէներգիայի առավելագույն քանակությունը, որը HIT-ը թողնում է, երբ այն ամբողջությամբ լիցքաթափվում է:
- Էլեկտրաէներգիայի պաշար. ստացված առավելագույն էներգիան, երբ սարքը լիովին լիցքաթափվում է:
- Էներգետիկ բնութագրեր. Մարտկոցների համար սա, առաջին հերթին, լիցքավորման-լիցքաթափման ցիկլերի երաշխավորված քանակ է՝ առանց հզորության կամ լիցքավորման լարման (ռեսուրսի) կրճատման։
- Ջերմաստիճանի աշխատանքային միջակայք։
- Պահպանման ժամկետը սարքի արտադրության և առաջին լիցքաթափման միջև ընկած առավելագույն թույլատրելի ժամանակն է:
- Օգտակար կյանք՝ պահպանման և շահագործման առավելագույն թույլատրելի ընդհանուր ժամկետը: Վառելիքի բջիջների համար կարևոր է շարունակական և ընդհատվող ծառայության ժամկետը:
- Ընդհանուր էներգիան սպառվել է կյանքի ընթացքում:
- Մեխանիկական ամրություն թրթռումների, ցնցումների և այլնի նկատմամբ։
- Ցանկացած պաշտոնում աշխատելու կարողություն.
- Հուսալիություն.
- Հեշտ սպասարկում.
HIT պահանջներ
Էլեկտրաքիմիական բջիջների նախագծումը պետք է ապահովի պայմաններ, որոնք նպաստում են ամենաարդյունավետ ռեակցիային: Այս պայմանները ներառում են՝
- կանխել ընթացիկ արտահոսքը;
- նույնիսկ աշխատանք;
- մեխանիկական ամրություն (ներառյալ խստությունը);
- ռեակտիվների տարանջատում;
- լավ շփում էլեկտրոդների և էլեկտրոլիտի միջև;
- հոսանքի ցրում ռեակցիայի գոտուց դեպի արտաքին տերմինալ նվազագույն կորուստներով:
Քիմիական հոսանքի աղբյուրները պետք է համապատասխանեն հետևյալ ընդհանուր պահանջներին.
- հատուկ պարամետրերի ամենաբարձր արժեքները;
- առավելագույն աշխատանքային ջերմաստիճանի միջակայք;
- ամենամեծ լարվածությունը;
- նվազագույն արժեքըէներգիայի միավոր;
- լարման կայունություն;
- լիցքավորման անվտանգություն;
- անվտանգություն;
- սպասարկման հեշտություն, և իդեալականորեն դրա կարիքը չկա;
- երկար ծառայության ժամկետ։
Շահագործման HIT
Առաջնային գալվանական բջիջների հիմնական առավելությունն այն է, որ դրանք ոչ մի սպասարկում չեն պահանջում: Նախքան դրանք օգտագործելը, բավական է ստուգել արտաքին տեսքը, պիտանելիության ժամկետը։ Միացնելիս կարևոր է դիտարկել բևեռականությունը և ստուգել սարքի կոնտակտների ամբողջականությունը: Ավելի բարդ քիմիական հոսանքի աղբյուրները` մարտկոցները, պահանջում են ավելի լուրջ խնամք: Դրանց պահպանման նպատակն է առավելագույնի հասցնել իրենց ծառայության ժամկետը: Մարտկոցի խնամքն է՝
- մաքուր պահել;
- բաց շրջանի լարման մոնիտորինգ;
- էլեկտրոլիտի մակարդակի պահպանում (միայն թորած ջուրը կարող է օգտագործվել լիցքավորման համար);
- էլեկտրոլիտների կոնցենտրացիայի վերահսկում (օգտագործելով հիդրոմետր՝ հեղուկների խտությունը չափող պարզ սարք):
Գալվանական բջիջները շահագործելիս պետք է պահպանվեն բոլոր պահանջները, որոնք վերաբերում են էլեկտրական սարքերի անվտանգ օգտագործմանը:
ՀԻԹ-ի դասակարգումն ըստ էլեկտրաքիմիական համակարգերի
Քիմիական հոսանքի աղբյուրների տեսակները՝ կախված համակարգից:
- կապար (թթու);
- նիկել-կադմիում, նիկել-երկաթ, նիկել-ցինկ;
- մանգան-ցինկ, պղինձ-ցինկ, սնդիկ-ցինկ, ցինկ քլորիդ;
- արծաթ-ցինկ, արծաթ-կադմիում;
- օդ-մետաղ;
- նիկել-ջրածին և արծաթ-ջրածին;
- մանգան-մագնեզիում;
- լիթիում և այլն:
HIT-ի ժամանակակից կիրառություն
Քիմիական հոսանքի աղբյուրները ներկայումս օգտագործվում են.
- տրանսպորտային միջոցներ;
- շարժական տեխնիկա;
- ռազմական և տիեզերական տեխնոլոգիա;
- գիտական սարքավորումներ;
- medicine (pacemakers).
Հիթ-ի սովորական օրինակներ առօրյա կյանքում.
- մարտկոցներ (չոր մարտկոցներ);
- մարտկոցներ շարժական կենցաղային տեխնիկայի և էլեկտրոնիկայի համար;
- անխափան սնուցման աղբյուրներ;
- մեքենայի մարտկոցներ.
Լիթիումի քիմիական հոսանքի աղբյուրները հատկապես լայնորեն օգտագործվում են: Դա պայմանավորված է նրանով, որ լիթիումը (Li) ունի ամենաբարձր հատուկ էներգիան: Փաստն այն է, որ այն ունի ամենաբացասական էլեկտրոդային պոտենցիալը բոլոր մյուս մետաղների մեջ: Լիթիում-իոնային մարտկոցները (LIA) առաջ են բոլոր մյուս CPS-ներից՝ հատուկ էներգիայի և աշխատանքային լարման առումով: Այժմ նրանք աստիճանաբար յուրացնում են նոր ոլորտ՝ ավտոմոբիլային տրանսպորտ։ Ապագայում լիթիումային մարտկոցների կատարելագործման հետ կապված գիտնականների զարգացումը կտեղափոխվի դեպի գերբարակ դիզայն և մեծ ծանրաբեռնված մարտկոցներ։
