Вопрос 54): Обратимые источники электрической энергии; кислотные и щелочные аккумуляторы:

Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые. Активная масса: И для тех и для других на положительных пластинах используется гидрат окиси никеля. На отрицательных пластинах – смесь кадмия с железом и чистое железо соответственно. Пластины представляют собой стальные никелированные рамки с ячейками, в которые помещается активная масса. Электролитом щелочных аккумуляторов является раствор едкого калия KOH. При заряде аккумулятора химические реакции происходят обратном направлении. Уравнение реакции разряда-заряда имеет следующий вид:

Реакции разряда-заряда для кадмиево-никелевого аккумулятора имеют следующий вид:

Недостатки: 1)относительно малая эдс. 2) низкий кпд. (не больше 55%)

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд):

Анод:

Катод:

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO2). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H2SO4).

{от автора:} собственно, это и есть обратимые источники электрической энергии. Обратимые – потому что могут заряжаться. (реакции могут протекать в обоих направлениях)

Цитируя один из сайтов, Можно построить элемент, свободный от поляризации, которого действие может быть подчиненно условию Обратимости. Когда элемент работает, то в нем совершается определенная химическая реакция и в цепи, соединяющей полюсы, течет ток от положительного полюса элемента к отрицательному при определенной величине электровозбудительной силы на полюсах. Если в цепи поместить самостоятельный источник электровозбудительной силы, могущей дать ток обратного

направления, то, при достаточной величине электровозбудительной силы этого нового источника, ток пойдет в обратном направлении и в нашем элементе химическая реакция будет совершаться в обратном направлении.

Вопрос 55): Топливные элементы:

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Принцип разделения потоков топлива и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

с протонообменной мембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонопроводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40%.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны [1].

Какие-то формулы: 2H2+O2=H2O; Анод: H2+2OH--2e=2H2O; Катод: O2+2H2O+4e=4OH-