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 мають свинцевий (кислотний) та лужні акумулятори. 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 гліцерином, 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 (роботи, розряджання) акумулятора густина електроліту (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 ККД (коефіцієнт корисної дії) 60-70 %.