1.5. Практическое использование электрохимических процессов

Электрохимические процессы, как самопроизвольные, так и вынужденные, широко применяются в различных областях науки и техники. Они являются основными в химических источниках тока, при получении веществ, в частности металлов, и их обработке. Необходимо отметить, что реальные электрохимические системы часто бывают достаточно сложными. На процессы, протекающие в них, влияют различные факторы, связанные как с составом электролита и материалами электродов, так и с режимами их эксплуатации, например плотностью тока и температурой.

1.5.1. Химические источники тока

Гальванические элементы различной конструкции используются в качестве химических источников тока (ХИТ). В ХИТ энергия химических связей в результате протекания самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции непосредственно преобразуется в электрическую энергию. При этом происходит расходование компонентов электрохимической системы (окислителя и восстановителя), которые называются активными материалами.

Химические источники тока разделяют на следующие основные типы.

Первичные гальванические элементы (ХИТ одноразового действия). Активные материалы содержатся непосредственно в составе электрохимической системы. Как правило, протекающая при разряде первичного гальванического элемента окислительно-восстановительная реакция является необратимой. Это приводит к тому, что полностью разряженный ХИТ как источник тока к дальнейшей работе непригоден.

Вторичные элементы  аккумуляторы (ХИТ многоразового действия). Активные материалы, входящие в состав электрохимической системы, расходуются в процессе работы гальванического элемента (разряд аккумулятора), но могут быть регенерированы в результате электролиза (заряд аккумулятора). Это обеспечивается тем, что электродные реакции являются обратимыми. В зависимости от режима работы аккумулятора в нем протекают реакции:

В процессе заряда электрическая энергия от внешнего источника накапливается в аккумуляторе в форме энергии химических связей, которая переходит обратно в электрическую энергию при его разряде.

Топливные элементы. Топливный элемент – это электрохимическая система, состоящая чаще всего из газовых электродов. Активные материалы хранятся отдельно от гальванического элемента, а окислитель и восстановитель подводятся в электрохимическую систему раздельно, непосредственно в момент работы, с одновременным отводом продуктов реакции. Материал электродов в процессе работы элемента не расходуется. Топливный элемент является первичным (неперезаряжаемым) химическим источником тока, в котором химическая энергия окисления вещества (сгорания топлива) непосредственно превращается в электрическую. В качестве восстановителя (топлива) могут быть использованы водород, углеводороды, гидразин и др. Окислителем чаще всего является чистый кислород или кислород воздуха. В отличие от первичных элементов и аккумуляторов, для работы топливного элемента необходимо вспомогательное оборудование. Система, состоящая из батареи топливных элементов, устройств для подвода топлива и окислителя, отвода продуктов реакции, устройства поддержания рабочей температуры, называется электрохимическим генератором.

Основные характеристики химических источников тока:

1. ЭДС гальванического элемента (Е, В) – напряжение ХИТ без нагрузки.

2. Номинальное напряжение (U, В) – величина напряжения ХИТ в средней части разрядной характеристики. U = Е  IR  , где I  ток во внешней цепи; R – суммарное сопротивление внешней и внутренней цепи;   поляризация гальванического элемента.

3. Номинальная емкость (C) – количество электричества, отдаваемое ХИТ во внешнюю цепь. Единицей измерения емкости является ампер-час Ач. Часто для характеристики емкости ХИТ используется удельная энергия, единица измерения – Втч/кг.

4. Удельная мощность (N, Вт/кг) – максимально допустимая разрядная мощность. Эта характеристика показывает максимально возможный ток, который может генерировать ХИТ при сохранении номинального напряжения.

5. Срок хранения (Т_хр) – время, за которое емкость ХИТ существенно не уменьшается вследствие саморазряда. Саморазряд - химические процессы, идущие на электродах с потреблением окислителя и восстановителя без генерирования электрического тока.

6. Для аккумуляторов – допустимое число циклов «разряд –заряд» при сохранении основных характеристик. Для топливных элементов важной характеристикой является ресурс работы.

В табл. 2 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных ХИТ.

Таблица 2