Воздушно (кислородно) - цинковый элемент

В этом элементе анодом является цинковый электрод. Катод выполнен из смеси активированного угля с графитом, поры катода заполнены воздухом, кислород которого является активным веществом. В качестве электролита используются растворы NH₄Cl или NaOH.

Схемы таких элементов:

(-) Zn | NH₄Cl || O₂, C (+) или

(-) Zn | NaOH || O₂, C (+).

При работе элементов протекают следующие окислительно-восстановительные реакции:

2Zn + O₂ + 4NH₄Cl = 2ZnCl₂ + 4NH₃ + 2H₂O или

2Zn + O₂ + 4NaOH = 2Na₂ZnO₂ + 2H₂O.

В настоящее время разработаны более совершенные конструкции элементов, работающих и при повышенных и при отрицательных температурах.

Ртутно-цинковый гальванический элемент

Такие элементы сохраняют работоспособность в широком интервале температур: от -5 C до +70 C и находят применение в портативных радиоприемниках и передатчиках, слуховых аппаратах, кардиостимуляторах. Работа этого элемента основана на окислении цинка оксидом ртути (II) в щелочной среде. Схема элемента:

(-) Zn | KOH || HgO, C (+).

Суммарное уравнение токообразующей реакции:

Zn + HgO + 2KOH = Hg + K₂ZnO₂ + H₂O.

Напряжение элемента 1.0 - 1.3 B, удельная энергия 50 - 130 Bт.ч/кг.

Свинцовый элемент

Это элемент наливного типа. Электролитом является хлорная кислота HClO₄,которая заливается в элемент для приведения его в рабочее состояние.

Схема элемента:

(-) Pb | HClO₄ || PbO₂, (+).

Процессы, протекающие на электродах:

на аноде:

на катоде: 2

Суммарное уравнение электрохимического процесса:

PbO₂ + 4HClO₄ + Pb = 2Pb(ClO₄)₂ + 2H₂O .

Свинцовые элементы способны работать при низких температурах вплоть до -60 C.

Топливные элементы. Электрохимические генераторы

Топливный элемент (ТЭ) – это первичный (не перезаряжаемый) источник тока, в котором электрическая энергия непосредственно образуется за счет реакции между топливом (восстановителем) и окислителем.

В отличие от гальванических элементов реагенты в топливных элементах не совмещены с электродами, а хранятся отдельно и подводятся к ним по мере протекания химических реакций. Сами электроды в реакцию не вступают, но являются катализаторами этих реакций. Их функция - отбор электронов от восстановителя и передача их окислителю. Топливный элемент - это ХИТ длительного пользования. Удельная энергия ТЭ значительно выше, чем у гальванических элементов. В топливных элементах используют жидкие или газообразные восстановители - водород, гидразин, метанол, углеводороды и окислители - кислород, пероксид водорода. В топливных элементах протекает реакция окисления топлива, в итоге образуются электроэнергия, продукты окисления топлива и теплота:

топливо + окислитель = электроэнергия + продукты окисления топлива + Q

Этот процесс может быть представлен в виде следующих стадий:

• анодное окисление топлива;

• катодное восстановление окислителя;

• движение ионов в растворе или расплаве электролита;

• движение электронов от анода к катоду во внешней цепи.

Кислородно-водородный топливный элемент

В настоящее время достигнуты значительные успехи в разработке водородно-кислородного топливного элемента. В этом элементе протекает реакция, которая описывается уравнением:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + электроэнергия + Q

На рис.2 приведена схема кислородно-водородного топливного элемента.

Рис. 2. Схема кислородно-водородного топливного элемента:

1 - анод (Pt), 2 - катод (Pt), 3 - электролит (раствор KOH).

К аноду подводится топливо (H₂) - восстановитель, к катоду - окислитель (чистый кислород или кислород воздуха). Между электродами находится электролит (ионный проводник), в качестве которого используется раствор щелочи. Схема ТЭ записывается в виде:

(-) H₂, Me | KOH | Me, O₂ (+) ,

где Me - проводник первого рода (Pt), играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде протекает реакция окисления водорода:

На катоде протекает реакция восстановления кислорода:

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе движение OH^- -ионов - от катода к аноду. Таким образом в результате реакции генерируется электрический ток, и химическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию.

Эффективность работы топливного элемента определяется скоростями соответствующих электродных процессов, которые, в свою очередь, зависят от электрохимической активности электродов и величины их поверхности. Высокая электрохимическая активность электродов достигается введением в них соответствующих катализаторов. В качестве катализаторов электродных процессов в ТЭ используются металлы платиновой группы (Pt, Pd, Ir), Ag, специально обработанные Ni, Co, активированный уголь.

Так как величина тока, протекающего через электрод, зависит от его поверхности, то в топливных элементах применяют пористые электроды, обладающие развитой поверхностью. Пористый электрод представляет собой систему контактирующих друг с другом твердых частиц, обладающих электронной проводимостью, и пустот между частицами. При подаче газообразного окислителя и восстановителя электрохимические реакции протекают на участках пористого электрода, легкодоступных как для газа, так и для электролита. Важное значение для эффективной работы ТЭ имеет подбор электролита. Он должен обладать высокой ионной электропроводностью и стабильностью, т.е. не изменять своего состава при взаимодействии с топливом и окислителем. Электролит не должен вызывать коррозию электродов и других частей топливного элемента. В качестве электролитов широко используются водные растворы KOH, NaOH, H₃PO₄, расплавы карбонатов и твердые электролиты (ионообменные мембраны, ZrO₂, TiO₂, MgO, Al₂O₃ и др.).

В зависимости от температуры применяемого электролита топливные элементы делят на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

Высокотемпературные элементы работают при температурах 400-1000 C на расплавленных карбонатах или твердых электролитах, основу которых составляет ZrO₂. Среднетемпературные элементы работают при температурах 180-250 C на водных щелочных электролитах (30-45% KOH) или на концентрированной H₃PO₄. Низкотемпературные ТЭ работают при температурах ниже 100 C со щелочными и кислотными электролитами.

В низкотемпературных элементах не удается использовать природные виды топлива: нефть, продукты ее переработки, природный газ (метан). Проблема использования этих видов топлива решается по двум направлениям:

1. применением высокотемпературных элементов и

2. предварительной химической обработкой топлива для получения электрохимически активных веществ.

В табл. 3 приведены теоретические и экспериментальные значения ЭДС основных типов электрохимических реакций, используемых в ТЭ, работающих на газообразном, жидком и твердом топливе.

Таблица 3.

Теоретические и экспериментальные значения ЭДС (Т = 298 К) электрохимических реакций,

используемых в топливных элементах

Топливо	Реакция	G, кДж/моль	E, В	Материал анода	Материал катода	электролит	Еэксп., В
Водород	H2 + 1/2O2 = H2O	-237,35	1,23	Pt	Pt	H2SO4	1,15
Водород	H2 + Cl2 = 2HCl	-262,51	1,37	Pt	Pt	HCl	1,37
Пропан	C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O	-2,106	1,085	Pt	Pt	H2SO4	0,65
Метан	CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O	-818,52	1,06	Pt	Pt	H2SO4	0,58
Оксид углерода (II)	CO + 1/2O2 = CO2	-257,28	1,33	Cu	Ag	KOH	1,22
Аммиак	NH3 + 3/4O2 = 3/2H2O + 1/2N2	-338,29	1,17	Pt	Pt	KOH	0,62
Метанол	CH3OH + 3/2O2 = CO2 + 2H2O	-698,36	1,21	Pt	C	KOH	0,98
Формальдегид	CH2O + O2 = CO2 + H2O	-522,09	1,35	Pt	C	KOH	1,15
Муравьиная кислота	HCOOH + 1/2O2 = CO2 + H2O	-285,54	1,48	Pt	Pt	H2SO4	1,14
Гидразин	N2H4 + O2 = N2 + 2H2O	-602,48	1,56	Ni	C	KOH	1,28
Натрий	Na + 1/2H2O + 1/4O2 = NaOH	-300,78	3,12	Na (Hg)	Ag/C	KOH	2,10
Уголь	C + O2 = CO2	-334,78	1,02	C	CuO/C	Na2CO3	1,032