• Bologna • 1789. Galvani egy békacombot rézkampóval a vas ablakrácsra erősített. Megfigyelés: a békacomb mindig megrándult, ha hozzáért a vasrúdhoz. • Ezt akkor is sikerült előidézni, ha egy sárgaréz- és egy vasdrótot nyomott a béka gerincébe. • Magyarázata: „állati elektromosság” vagy „életerő”.
• Pavia • Kétségbe vonta Galvani elképzelését • Szisztematikus kísérletekkel kimutatta, hogy a jelenség előidézéséhez − az elektromos áram létrejöttéhez − a vasból, a rézből és az izmokban található sós folyadékból álló zárt áramkör szükséges. 1792. A Volta-féle „pohárelem”: egy cinkrúd és egy rézrúd merül híg kénsavoldatba. 1800. Volta-féle oszlop: az első, a gyakorlatban is használható galváncella.
1815. München, Elektrosztatikus óra, Zamboni-féle oszlop „Több száz vagy ezer cinkkel, illetve rézzel bevont köralakú papírlapocskából összeállított galvánlánc. A lapok fémes részei érintkeznek s úgy vannak elhelyezve, hogy a cinkkel bevont felületek mind egy irány felé állanak, a rézzel bevontak az ellenkező irány felé. A lapok erősen összepréselve üvegcsőben vannak elhelyezve, melyet egy-egy fémlap zár el.” (Révai lexikon)
1840. Elektromos ingaóra. Áramforrás: a nedves földbe ásott cink és rézlemez.
1836. „Daniell-cella”
1839. Tüzelőanyag-elem (hidrogén - oxigén) 1844. Grove elem (Pt - Zn)
1854. Az ólomakkumulátor alapját képező elektrokémiai rendszer felfedezése. A kénsav galvanikus úton való felbontására tett kísérlet során ólomelektródokat használt. Megfigyelte, hogy amikor az áram be van kapcsolva, a pozitív elektródra ólomdioxid rakódik. Amikor kikapcsolta a külső áramforrást, és a két elektródot összekötötte, akkor a külső körben áram folyt mindaddig, míg az ólomdioxid újra el nem bomlott.
1859. Sinsteden kísérleteiről mit sem tudva 1859-ben Raymond Louis Gaston Planté francia fizikus ugyanezt figyelte meg, és a jelenséget úgynevezett „akkumulátorcellák”, „akkumulátorok” vagy „áramgyűjtők” előállítására használta fel. A gyakorlatban végül is Planté elemei és akkumulátorai terjedtek el.
1867-68. Cink−mangán-dioxid elem
1886. Az első „szárazelem”
1899. Nikkel-kadmium akkumulátor
1901. Nikkel-vas lúgos akkumulátor
1942. Higany-oxidos „Ruben-Mallory” gombelem
És így tovább …
Elektrokémiai reaktorok Az elektrokémiai reakcióknak nagy a gyakorlati jelentősége, mivel az elektrokémiai cellában spontán lejátszódó kémiai reakció (a cellareakció) szabadentalpiaváltozása közvetlenül elektromos munkaként hasznosítható, vagy benne elektromos munka befektetésével kémiai reakció játszatható le. Az első esetben galváncellákról, (kémiai áramforrásokról, elemekről), a második esetben pedig elektrolizáló cellákról beszélünk. A cellában mindkét esetben kémiai átalakulás játszódik le, ezért az ilyen cellát elektrokémiai reaktornak is szokás nevezni.
A hőerőgépek a tüzelőanyag oxidációjával termelt hő által végzik a hasznos munkát. Mivel a hő folyamatosan működő gépben a termodinamika elvei szerint csak korlátozottan alakítható át hasznos munkává, a legkorszerűbb hőerőgépek hatásfoka is csak 40% körüli. Számos galváncella gyakorlatilag is jó közelítéssel reverzibilisen, 90% körüli hatásfokkal működik. Elvileg minden galváncella felhasználható hasznos munka végzésére, pl. úgy, hogy pólusai közé megfelelő elektromotort iktatunk.
A galváncellák működésekor (kisütéskor) a cella negatív elektródjában oxidáció, pozitív elektródjában pedig redukció megy végbe.
A galváncella negatív elektródja anód, pozitív elektródja pedig katód.
A működő elektrokémiai reaktor E elektromos potenciálkülönbségének abszolút értéke megadható az
⏐E ⏐= ⏐E1 − E2⏐+ IRc összefüggéssel, ahol E1 és E2 a cella elektródjainak elektródpotenciálja ugyanazon referenciaelektródra vonatkoztatva, Rc a cella belső ellenállása. IRc értéke negatív galváncella, pozitív elektrolizálócella esetén.
A kémiai áramforrások osztályozása − Primer elemek (galvánelemek) − Szekunder elemek (akkumulátorok) − Tüzelőanyag-elemek
Primer elemek (galvánelemek): Az elektrokémiai hatóanyagokkal megtöltve, lezárva kerülnek forgalomba. A hatóanyag áramtermelés közbeni elhasználódása (az elem kimerülése) után ezek nem regenerálhatók, hanem végleg használhatatlanná válnak (elektródfolyamataik nem megfordíthatók). Képletesen szólva az ilyen elemek egy adag elektromos energiát tartalmaznak, amely adott határok között tetszés szerinti részletekben használható fel. Fő követelmény a primer elemekkel szemben, hogy minél kisebb méretekben minél több energiát tartalmazzanak, és minél tartósabbak legyenek (kicsi legyen az „önkisülés”).
Egy galvánelem tipikus kisütési görbéje állandó áramerősség vagy terhelő ellenállás mellett
Fontos: a kapocsfeszültség ne változzon gyorsan az idővel.
További követelmények: − Az elektródok csereárama legyen nagy, azaz az elektródreakciók legyenek „nagy sebességűek”. − A cella belső ellenállása legyen kicsi. Ez főleg az elektrolit/elektrolitoldat ellenállásától és a cella geometriájától függ. − Egyféle oldatot tartalmazzon. − Le lehessen zárni hermetikusan. − Ne tartalmazzon a környezetre káros anyagokat.
Szekunder elemek (akkumulátorok) Jó közelítéssel megfordíthatóan működő galváncellák, amelyekben kimerülés, vagyis hatóanyagok részbeni elhasználódása után, ellentétes irányú áram átvezetésével visszaállítható az eredeti állapot, és ez a folyamat nagyon sokszor megismételhető az elem károsodása nélkül. Az akkumulátor töltésekor annak negatív elektródjában redukció (tehát az a katód), pozitív elektródjában pedig oxidáció (tehát ilyenkor ez az anód) történik. Fontos, hogy az áramtermelés és az eredeti állapot visszaállítása (a kisütés és a töltés) minél jobban közelítse meg a termodinamikai értelemben vett reverzibilitást
Az akkumulátorokat jellemző specifikus adatok (követelmények: ezek optimalizálása): − Az aktív anyag kihasználási tényezője − Töltéskapacitás (az a töltésmennyiség, amelyet a cella adott végső elektromos potenciálkülönbségéig történő kisütésekor meghatározott feltételek mellett át tud adni)
− Töltéssűrűség (Ah/m3), specifikus töltés (Ah/kg) − Energiakapacitás − Energiasűrűség (Wh/m3), specifikus energia (Wh/kg) − Töltéshatásfok − Energiahatásfok − Az akkumulátor ciklusszáma (ciklusszámon szokás érteni azon töltésből és kisütésből álló ciklusok számát, amelyek után az akkumulátor kapacitása még nem csökken a kapacitás normális értéke alá. Fontos: kicsi legyen az ún. memóriaeffektus)
Tüzelőanyag-elemek: Folyamatosan működő kémiai áramforrások, amelyekben valamely „tüzelőanyag” (földgáz, hidrogén, metanol, stb.) levegő általi oxidációja az áramtermelő folyamat. A folyamatos működés megvalósításához a tüzelőanyag folyamatos betáplálására van szükség (hasonlóan, mint pl. a benzinmotor esetében), és az oxidáció termékeit is folyamatosan el kell vezetni. A gazdaságos üzemeltetés érdekében fontos, hogy a hatóanyagok olcsók legyenek, az elektródok felületegységére vonatkoztatva minél nagyobb áramot szolgáltassanak, továbbá minél kevésbé váljanak hatástalanná mérgeződés következtében.
