§3 Промышленные источники тока

Все химические источники энергии можно разделить на два типа; однократного действия – элементы и многократного действия – аккумуляторы. Элементы применяются в виде полностью герметизированных сухих батарей, или наливных в которые для их использования надо заливать воду или электролит. Наиболее распространены сухие элементы и батареи на их основе

Сухие элементы. Недостатком элемента Даниэля-Якоби и ему подобных является наличие жидких раство­ров, которые могут вытекать и попадать на окружающие предметы. Поэтому такие элементы в настоящее время используют только в лабораторных условиях. Сухой эле­мент («электрическая батарейка») широко используется для питания радиоприемников, фонарей, наручных часов и т.д. Его удобство состоит в том, что все составные части -твердые или пастообразные вещества. Схема су­хого элемента представлена на рис. 11. Анодом в сухом элементе служит цинковая оболочка 1, а катодом - гра­фитовый стержень 2, погруженный в смесь оксида мар­ганца (IV) и угольной крошки 3. Электролитом служит пастообразная смесь хлоридов аммония и цинка 4. При работе элемента происходят сле­дующие процессы:

(–) Zn_(тв) – 2ē → Zn²⁺_(водн)

(+) 2МnO_{2 (тв)} + 2NH₄⁺_(водн) + 2ē →

Мn₂О_3(тв) + 2NH_{3 (водн)} + Н₂О_(ж)

Суммарная токообразующая реакция:

Zn_(тв) + 2MnO_2(тв) +2NH₄⁺_(водн) →

Zn²⁺_(водн) + Мп₂О_{3 (тв)} + 2NH_{3 (водн)} + H₂O_(ж)

э.д.с. сухого элемента составляет 1,25…1,50 В.

Рисунок 29 – Схема сухого элемента

Недостатком сухих элементов является ограниченный срок хранения (1…2 года), причиной которого является так называемый саморазряд, понижающий емкость, т.е. количество энергии, которое может запасти или отдать источник тока, и разность потенциалов.Напряжение или разность потенциалов элемента всегда ниже э.д.с. и зависит от величины разрядного тока. На графике (рисунок 12) приведена зависимость времени работы и напряжения элемента от разрядного тока.

Аккумуляторы. Описанные выше источники тока, ко­торые после разрядки или израсходования одного из ве­ществ, нельзя использовать повторно, называются первич­ными элементами. Аккумуляторы называются вторич­ными элементами, т. к. могут эксплуатироваться в течение длительного времени благодаря возможности перезарядки, в ходе которой происходит регенерация ре­агентов. Рассмотрим два вида аккумуляторов.

Свинцовый аккумулятор. Заряженный свинцовый ак­кумулятор состоит из свинцовых анодов и катодов в виде свинцовой решетки, заполненной оксидом свинца (IV). В качестве электролита используется 30% раствор серной кислоты (плотность 1,275 г · см^–3).

При разрядке аккумулятор работает как обычный гальванический эле­мент и является источником постоянного тока. На электродах происходят следующие процессы:

(–) Рb_(тв) + SO₄^2–_(водн) – 2ē → PbSO_4(тв)

(+) РbO_2(тв) + 4Н⁺_(водн) + SO₄^2–_(водн) + 2ē → PbSO_4(тв) + 2H₂O_(ж)

В ходе разряда пластины покрываются слоем суль­фата свинца, а концентрация раствора серной кислоты уменьшается. Напряжение заряженного аккумулятора составляет 1,95–2,15 В и при разряде постепенно уменьшается. Когда концентрация серной кислоты уменьшается до 18–20%, производят заряд аккумуля­тора. Для этого его подключают к источнику постоян­ного тока и проводят процесс электролиза. При этом электродные реакции протекают в обратном направлении, а именно:

(–) PbSO_4(тв) +2ē → Pb_(та) + SO₄^2–_(водн)

(+) PbSO_4(тв) + 2H₂O_(ж) – 2ē → PbO_2(тв) + 4H⁺_(водн) + SO₄^2–_(водн)

В процессе заряда концентрация серной кислоты увеличи­вается, а пластины приходят в исходное состояние, после чего может производиться разряд аккумулятора.

Железно-никелевый аккумулятор. Анодами служат железные пластины, а катоды представляют собой нике­левые или железные пластины, на которые нанесена ак­тивная масса, содержащая гидроксид никеля (III) – Ni(OH)₃ или NiOOH. Электролит — водный раствор КОН. Напряжение заряженного аккумулятора составляет 1,37–1,41 В. При разрядке происходят следующие про­цессы:

(–) Fe_(тв) + 2OH^–_(водн) – 2ē → Fe(OH)_2(тв)

(+) 2NiOOH_(тв) + 2H₂O_(ж) + 2ē → 2Ni(OH)_2(тв) + 2OH^–_(водн)

Токообразующая реакция:

Fe_(тв) + 2NiOOH_(тв) + 2Н₂О_(ж) = 2Ni(OH)_2(тв) + Fe(OH)_2(тв)

Из уравнения следует, что при разрядке концентра­ция электролита не изменяется. Пропуская затем по­стоянный электрический ток, заставляют реакции про­текать в обратном направлении – происходит заряд аккумулятора.

Топливный элемент. В топливном элементе протекает реакция окисления топлива или продуктов его перера­ботки (водорода, оксида углерода, водяного газа и др.) кислородом. Выделяющаяся энергия непосредственно превращается в постоянный электрический ток. Коэффи­циент использования топлива составляет свыше 80%, в то время как обычные теплосиловые установки, используемые для получения электроэнергии, характеризуются коэффициентами 30-35%.

Рассмотрим в качестве примера водородно-кислородный элемент, схема которого приведена на рисунок 30. Газообразные водород и кислород пропускают через по­ристые угольные электроды 1 в концентрированный раствор щелочи 2. Чтобы понизить энергию активации процессов окисления водорода и восстановления кисло­рода, электроды покрыты специальными катализатора­ми. На электродах протекают следующие процессы:

Анод: 2Н_2(г) + 4ОН^–_(водн) – 4ē → 4Н₂О_(ж)

Катод: О_2(г) + 2Н₂О_(ж) + 4ē → 4OH^–_(водн)

или суммарно:

2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(ж)

Топливные элементы — пер­спективные источники энергии будущего. На американских космических кораблях исполь­зовались водородно-кислородные элементы, причем за счет образующейся в элементе воды пополнялись запасы питьевой воды для космонавтов.

Рисунок 30 – Схема топливного элемента