4.2.2.2. Акумулятори
Гальванічні елементи оборотної та багаторазової дії називають акумуляторами. Дані пристрої здатні при розряджанні перетворювати накопичену хімічну енергію на електричну (як гальванічний елемент), а при заряджанні електричну – на хімічну (як електролізер). Найбільше застосування має свинцевий акумулятор (кислотний). Пластини свинцевого акумулятора виготовляють: анодні – зі свинцю, а катодні – з комірчастих відливок хартблею – сплаву свинцю зі стибієм. У комірки катода запресовують пластичну суміш плюмбум (ІV) оксиду із гліцеролом, яка здатна тверднути, утворюючи гліцерат плюмбуму (ІV). Готові пластини збирають у батареї і занурюють у розчин електроліту з масовою часткою сульфатної кислоти 35 %. Розглянемо принцип дії свинцевого акумулятора (рис. 16), схема якого: Рb|Н2SO4|PbO2.
Рис.16. Схема свинцевого акумулятора
Під час розряджання акумулятора на електродах відбуваються такі електрохімічні процеси:
На аноді (–): Pb + SO → PbSO4 + 2ē; 0 = 0,36 В.
На катоді (+): РbО2 + 4Н+ + SO + 2ē → PbSO4 + 2Н2О; 0=1,68 В.
Під час заряджання, коли через акумулятор пропускають постійний електричний струм, на електродах відбуваються протилежні процеси:
На катоді (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO .
На аноді (+): PbSO4 + 2Н2О → РbО2 + 4Н+ + SO + 2ē.
Загальне
рівняння реакції роботи свинцевого
акумулятора має вигляд: Pb + 2H2SO4
+ РbO2
2PbSO4
+ 2H2O;
Pb
+ 2H2SO4
+ РbO2
2PbSO4
+ 2H2O.
ЕРС
акумулятора
= 1,68
– (– 0,36) = 2,04 В.
Різниця потенціалів зарядженого акумулятора дорівнює 2,04 В; якщо вона знижується до 1,7 В, то це свідчить, що акумулятор треба заряджати. Під час експлуатації акумулятора густина розчину Н2SO4 знижується, тоді як під час заряджання його, навпаки, – зростає. Перевагами свинцевих акумуляторів є: стабільність у роботі, велика електрична ємність, велика кількість циклів розряджання-заряджання та термін зберігання (до 2 років), а недоліками – великі маса й розміри, отже, мала питома ємність, виділення водню під час розряджання та негерметичність у процесі використання агресивного електроліту. Дещо кращими є лужні акумулятори, наприклад, нікель-кадмієві, нікель-залізні, срібно-цинкові тощо.
У нікель-залізному акумуляторі отвори залізних пластинок заповнені Ni2O3 H2O (або Ni(OH)3) у суміші з порошком графіту та порошком відновленого заліза. Заряджання й розряджання лужного нікель-залізного акумулятора відбувається за схемою:
Fe + 2Ni(OH)3 Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2;
Fe + 2Ni(OH)3 Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2.
Напруга цього акумулятора при розряджанні становить близько 1,3 В.
4.2.2.3. Паливні елементи
У паливних елементах електричний струм виникає в результаті хімічної взаємодії горючих речовин з окисниками, які безперервно подаються ззовні до електродів, а продукти реакції безперервно відводяться. Роль активних матеріалів негативного електрода (анода) відіграють звичайні види палива (горючі речовини): водень, бензин, природний газ, карбон (ІІ) оксид, кокс, метанол тощо). Активним матеріалом катода паливного елемента може бути: кисень повітря, або чистий кисень, хлор.
Прикладом може бути воднево-кисневий елемент, який складається із дрібнопористих вугільних або нікелевих електродів, занурених у лужний розчин електроліту: А (–) (Ni) H2 | KOH | O2 (Ni) (+) K
А: 2Н2 + 4ОН– = 4Н2О + 4ē.
К: О2 + 2Н2О + 4ē = 4OH– .
Водень дифундує крізь пористий електрод із каталізаторами (Pt, Pd), кисень – крізь другий електрод зі змішаними каталізаторами (Co і Аl або Fe, Mn і Ag). Воднево-кисневі елементи генерують струм 500-700 мА на 1 см2 активної поверхні електродів при напрузі близько 1 В та коефіцієнті корисної дії (ККД) 60-70 %.