Cхемы щелочных аккумуляторов:
( - ) Cd │KOH, LiOH │NiO(OH), C (+)
( - ) Fe │KOH, LiOH │NiO(OH), C (+)
Окислительно-восстановительные процессы, протекающие при работе щелочного аккумулятора (Сd–Ni) могут быть представлены следующими уравнениями:
(-) A : Cd + 2 OH- Cd (OH )2 + 2
(+) K : 2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 2 Ni(OH)2 + 2 OH -
2 NiO(OH) + 2 H2O + Cd Cd( OH )2 + 2 Ni( OH )2
В отличие от свинцового аккумулятора срок службы щелочных аккумуляторов порядка 10 лет, они хорошо выдерживают перегрузку и длительное время пребывания в разряженном состоянии. Однако меньшая ЭДС и более высокая стоимость не позволяет во многих случаях заменить ими свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы выпускаются промышленностью различной удельной емкости (0,5 – 120 А-час).
В последние годы проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых аккумуляторов. Это обусловлено необходимостью создания экологически чистых автомобилей (электромобилей, не дающих вредных выбросов в окружающую среду) и длительного пребывания в космосе. Разрабатываются металл-газовые аккумуляторы (цинк-кислородные, никель-водородные, железо-воздушные и др.) с большим сроком службы. Среди новых аккумуляторов – аккумуляторы со щелочными анодами, неводными растворами электролитов (расплавы и твердые электролиты) и катодами на базе оксидов кобальта, никеля, марганца и ванадия. Они имеют, как правило, высокие удельную энергию и КПД.
Топливные элементы
Топливные элементы (ТЭ) – перспективные химические источники тока (электрохимические генераторы), способные непрерывно работать за счет постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается в электрическую энергию.
На практике наиболее часто применяются водородно-кислородный топливный элемент (рис. 1).
Рис. 1. Схема водородно-кислородного топливного элемента
1 – анод; 2 – электролит; 3 - катод
Устройство элемента чрезвычайно простое. В герметически закрытом сосуде установлено два пористых, металлических (чаще всего никелевых) электрода, разделенных слоем раствора гидроксида калия (натрия). В прибор подаются газообразный водород и кислород.
Схема водородно-кислородного ТЭ имеет следующий вид:
А(-) Ме, Н2 KOH, NaOH O2 , Me, (+) K ,
где Ме - проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода (например специально обработанные Ni, Co, металлы группы Pt ).
Элемент работает при 50 – 70 оС, при атмосферном давлении. На электродах протекают следующие реакции:
на аноде – окисление водорода
(-) А: H2 + 2OH- 2 H2O + 2
На катоде – восстановление кислорода
(+) К :O2 + H2O + 2 2 OH-
Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов OH- от катода к аноду. Суммированием уравнений анодной и катодной реакций получаем уравнение токообразующей реакции:
Н2 + O2 H2O + Е электр.
Таким образом, в водородно-кислородном ТЭ протекает процесс сгорания водорода с образованием воды. В результате протекания этой реакции в цепи генерируется постоянный ток и химическая энергия превращается в электрическую энергию постоянного тока.