11.1.8. Концентрационные элементы

Гальванический элемент может быть составлен не только из различных электродов, но из электродов одного и того же металла, погруженных в растворы солей с различной концентрацией ионов этого металла. Такие гальванические элементы называются концентрационными.

Из уравнения Нернста следует, что электродный потенциал зависит от концентрации ионов в растворе. Следовательно, при погружении одного и того же металла в растворы его ионов с различной концентрацией можно получать различный электродный потенциал. Электрод с большим значением потенциала будет катодом, а с меньшим – анодом.

Работа концентрационного прекратится, когда концентрации растворов станут равными.

11.1.9. Топливные элементы

Одно из основных направлений в работе электрохимиков  развитие теории топливных элементов – гальванических элементов, с помощью которых энергию, выделяющуюся при окислении топлива (горючего), получают непосредственно в виде электрического тока.

Еще в 1880 году русский ученый П.Н. Яблочков запатентовал топливный элемент, предназначенный для прямого превращения энергии от сгорания углерода в электрическую энергию.

В настоящее время созданы топливные элементы с различными восстановителями  водородом, гидразином, метанолом, углеводородами, и окислителями  кислородом и пероксидом водорода.

Одним из первых был создан кислородно-водородный элемент с щелочным электролитом:

Н₂, М (Pt) КОН(Pt) М, О₂

где М – проводник 1-го рода, играющий роль катализатора в этом процессе;

КОН – водный раствор электролита.

В этом топливном элементе происходят следующие реакции:

на аноде происходит процесс окисления водорода

Н₂ + 2ОН^  2е^  2Н₂О,

а на катоде – процесс восстановления кислорода

0,5О₂ + Н₂О + 2е^  2ОН^.

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов ОН^ от катода к аноду. Суммирование этих двух реакций дает нам реакцию получения воды

0,5О₂ + Н₂  Н₂О

В результате протекания этой реакции генерируется постоянный электрический ток. Для большинства топливных элементов ЭДС составляет 1,0 – 1,5 В, удельная энергия 400 – 800 Втч/кг, КПД до 70 %. Для увеличения напряжения и тока создают батареи таких элементов.

Подобные установки уже применяются на космических кораблях (при этом обеспечивая космонавтов не только электроэнергией, но и водой).

Особую роль играют катализаторы электродов топливных элементов. Чаще всего используют порошкообразные металлы платиновой группы, серебро, никель, кобальт и активированный уголь. На этих электродах уже при 25 – 100⁰С кислород восстанавливается довольно быстро, и обеспечивается высокая скорость окисления водорода, гидразина N₂Н₄. такие элементы называют низкотемпературными.

Создание топливных элементов на основе нефти, природного газа и особенно угля осложняется тем, что при низкой температуре окисление топлива практически не идет, необходима температура 500⁰С и выше. В этих условиях не могут применяться водные растворы электролитов, а используются или расплавленные соли, или твердые проводники ионов, например, оксиды кальция СаО и циркония ZrO₂. Однако подбором соответствующих катализаторов температура процесса может быть существенно снижена, и тогда возможно протекание реакций как, например, в пропан-кислородном элементе:

на аноде С₃Н₈ + 6Н₂О  20е^  3СО₂ + 20 Н⁺

на катоде 5О₂ + 20 Н⁺ + 20е^  10Н₂О.

Уже построены электрохимические электростанции, работающие на природном топливе мощностью до 5МВт, которые предназначены для выравнивания графика нагрузок в электросетях.

Перспективным направлением считается использование топливных элементов на основе метанола как источник питания для ноутбуков.