Утвержден на заседании ПМК

Протокол № 4 от 26 апреля 2010г.

Текст лекционного занятия № 1.8.

Тема: «Корабельные электрические аккумуляторы».

1. Назначение, принцип действия и основные технические характеристики химических источников тока

Химическим источником тока (ХИТ) называется устройство, в котором свободная, энергия пространственно разделенных окислительного и восстановительного химических процессов непосредственно превращается в элек­трическую энергию и передается во внешнюю цепь.

На надводных кораблях ХИТ используются для запуска дизелей и газовых турбин, а также в качестве резервных источников питания систем автоматизации, аварийных сетей освещения и для переносных аккумуляторных фонарей.

На АПЛ ХИТ (аккумуляторная батарея) служит в качестве аварийного источника энергии, с помощью которого производится пуск и расхолаживание реактора и снабжение электроэнергией минимального количества потребителей во время его остановки.

На неатомных ПЛ (ДПЛ) ХИТ (аккумуляторная установка) служит основным источником энергии и обеспечивает питание потребителей на всех режимах подводного хода. Таким образом, аккумуляторная батарея определяет длительность движения неатомной подводной лодки в подводном положении. Кроме этого, аккумуляторная батарея определяет и минимально необходимое время нахождения подводной лодки в надводном положении или в режиме РДП при ее зарядке.

В простейшем случае ХИТ состоит из двух разнородных материалов, погруженных в электролит. Совокупность электродов и электролита представляет собой электрохимическую систему:

(-) восстановитель | электролит | окислитель (+) Вертикальной чертой обозначают границу между пространственно разделенными электродами в электролите.

Электроды содержат в своем составе активные вещества - окислитель и восстановитель. В качестве электродов в ХИТ применяет либо металлы, либо окислы и гидроокиси металлов.

Электролиты корабельных ХИТ -.это растворы, в которых имеются подвижные ионы. К ним относятся растворы кислот и щелочей. В электролитах растворенное вещества распадаются на противоположно заряженные частицы -ионы. Распад молекул на ионы возможен в растворителях, которые имеют явно выраженную полярность молекул (например, в воде). Распад молекул на ионы происходит в результате взаимодействия ионов с диполями воды или другого растворителя (рис.1.1,а). Притянувшиеся к концам полярной молекулы диполи растворителя как бы растягивают молекулу, вследствие чего молекула из полярной превращается в ионную, а затем распадается на ионы. Распад молекул на ионы называется электролитической диссоциацией. При этом образуется два рода ионов, катионы и анионы.

Катионами кислот и щелочей являются положительно заряженные кислотное и водные остатки. Степень диссоциации ά=n/N (где n-число диссоциированных из N молекул) зависит от температуры раствора, физико-химических свойств растворителя и растворенного вещества, а также концентрации раствора. Наиболее важной характе­ристикой для заданной электрохимической системы является концентрация раствора. Чем выше концентрация раствора, тем больше вероятность встречи ионов, тем меньше степень диссоциации. Например, раствор серной кислоты H₂SO₄, концентрация которого 95%, имеет ά=0,1, а при концентрации 0,5% - соответственное ά=0,9 (при одной и той же температуре 18° С).

На практике ищут оптимальные соотношения между степенью диссоциации и концентрацией электролита (рис.11,б). При эксплуатации ХИТ о концентрации раствора обычно судят по плотности электролита d (г/cm³) , а о степени диссоциации - по удельной проводимости электролита g [См/м]. Величина удельной проводимости зависит от природы электролита, его плотности и температуры. Приемлемая для эксплуатации плотность электролита находятся, как видно из рис.11,б, для электролитов на основе серной кислоты H₂SO₄ в пределах d=1,15-1,35, а для растворов на основе щелочи КОН- в пределах d=1,2-1,3.

Электролиты представляют собой проводники второго рода (рис.1.1, в). Электрический ток в них - это направленное движение ионов вдоль силовых линий электрического поля.

Электроды корабельных ХИТ, по современным представлениям, имеют, некоторое количество катионов и соответствующее количество электронов, способных свободно перемешаться в кристаллической решетке металла.

При соприкосновении металла с электролитом происходит взаимодействие электрических полей, образуемых, например, катионами кристаллической решетки и отрицательными полюсами дипольных молекул воды. В результате этого взаимодействия к ионам металла присоединяются молекулы воды. Это явление называется гидратацией. За счет энергии гидратации некоторые ионы металла проходят в раствор, а парные им электроны остаются в электроде и сообщают ему отрицательный заряд. Катионы металла распо­лагаются в прилегающем к электроду слое электролита и сообщают ему положительный заряд. Образуется двойной электрический слой, а между электролитом и электродом возникает разность потенциалов.

Свойство металла отдавать свои ионы воде или электролиту называют электролитической упругостью растворения. Силы электролитической упругости растворителя стремятся послать ионы металла в раствор. Одновременно возникают силы противоположного направления, которые стремятся вернуть ион металла в электрод. Это силы напряженности электрического поля двойного электрического слоя и силы осмотического давления(увеличение числа ионов в растворе повышает его осмотическое давление). Когда действующие на заряды химические и электрические силы динамически уравновешиваются, устанавливается определенное значение так называемого гальвани-потенциала.

Гальвани-потенциал является физически реальной величиной, однако никакими средствами не может быть точно измерен. Присоединение любого измерительного устройства связано с образованием еще по крайней мере одной границы раздела, гальвани-потенциал которой будет искажать результаты измерений. Поэтому для большинства практических целей достаточно знать, насколько каждый гальвани-потенциал больше или меньше потенциала электрода сравнения.

Собственный потенциал электрода сравнения условно считают равным нулю. В качестве электрода сравнения обычно используют так называемый нормальный водородный электрод.

Электродный потенциал ( в отличие от гальвани-потенциала) - это напряжение разомкнутой цепи, включающей данный электрод и электрод сравнения. Располагая электродные потенциалы, измеренные относительно нормального водородного электрода, в порядке возрастания их величины Е₀ получают электрохимический ряд напряжений (табл. 1.1):

При отрицательном нормальном электродном потенциале электрода Е₀ самопроизвольным процессом будет окисление, а при положительном потенциале - восстановление.

Важно отметить, что величина электродного потенциала зависит от вещества электрода, вещества и концентрации электролита, его температуры, но не зависит от размеров, массы и формы электродов.

Для создания электрохимической системы с максимальной ЭДС следовало бы взять электроды с максимальной разностью нормальных электродных потенциалов. Однако, это не всегда целесообразно из-за стоимости и безопасности обслуживания ХИТ. Например, для отрицательного электрода нельзя использовать щелочные металлы К, Na поскольку они бурно реагируют с водой а для положительного -золото Аu по причине высокой wены материала.

Принцип действия ХИТ. Если два электрода с разными потенииалами, погрузить в электролит и разомкнуть внешнюю цепь то разности потенциалов между электродами не появится, поскольку потенциал каждого электрода уравновешивается в электролите потенциалом приэлектродного слоя. При замыкании внешней электрической цепи ХИТ под действием разности потенциалов между электродами электроны вне электролита будут перемещаться в сторону электрода с более высоким потенциалом. При этом равновесие зарядов в приэлектродных слоях нарушается. Между электродами в электролите возникает электрическое поле. Ионы электролита под действием сил этого поля начнут перемещаться а изменение числа электронов на электродах нарушит равновесие на границе электрод-раствор. Так, на отрицательном электроде часть катионов перейдет в раствор, а на положительном электроде такое же количество катионов выделится из раствора и за счет переместившихся по внешней цепи электронов превратится в нейтральные атомы. Таким образом на отрицательном электроде происходит процесс окисления а на положительном - процесс восстановления. Химические реакции, в которых участвуют или в ходе которых в металле образуется свободные электроны, называют электрохимическими, или электродными реакциями. Эти реакции поддерживают продолжительный переток электронов во внешней цепи. В целом получается замкнутая электрическая цепь, но как только внешняя цепь размыкается, то протекание обеих электродных реакций прекращается.

Возникновение электродных потенциалов на границе электрод - электролит лежит в основе принципа действия ХИТ.

Вещества, входящие в состав электродов и участвующие в токообразующих электрохимических процессах ХИТ называются активными веществами.

Процесс передачи электрической энергии от химического источника тока во внешнюю цепь называют разрядом. Зарядом называют процесс передачи электрической энергии от внешнего источника к химическому источнику тока с целью восстановления первоначальных активных веществ.

ХИТ разделяются на группы:

- источники разового действия, или первичные (гальванические) элементы. В них заложен запас активных веществ, после израсходования которого они теряют работоспособность (к примеру, батарейки переносных фонарей);

• источники многократного действия или аккумуляторы. Корабельные аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путем пропускания тока в обратном направлении от внешнего источника;

• топливные элементы, в которых в процессе работы непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции. Такие элементы могут работать непрерывно в течение длительного времени, но на кораблях в настоящее время не применяются.

Основные технические характеристики ХИГ:

- электродвижущая сила (ЭДС) Е - разность электродных потенциалов источника при разомкнутой внешней цепи, [в];

• полное внутреннее сопротивление R₀ , включающее в себя сопротивление электродов и электролита, а также сопротивление поляризации. Величина сопротивления R₀ невелика и составляет 0,01-0,0001 Ом;

• емкость - количество электричества Q (или величина тока I ), которое проходит через внешнюю цепь за время t: C= или С=It при I=const. Емкость ХИТ измеряется в ампер-часах (1А·ч=3600. К). Различают разрядную (при полном разряде), зарядную (полученную в течение заряда) и номинальную емкости (под номинальной емкость С_ном понимают емкость, гарантируемую заводом-изготовителем при определенном режиме разряда);

• энергия разряда (заряда), под которой понимается энергия, отдаваемая источником при разряде (получаемая при заряде;. Энергия разряда (заряда) определяется выражением W= и выражается в ватт-часах (1 Вт·ч=3600 Дж);

• удельная емкость (энергия) - емкость (энергия) разряда на единицу объела или массы;

• -отдача по энергии (емкости) ή_w – отношение энергии (емкости) разряда к энергии (емкости) заряда (%);

- саморазряд - химические процессы, происходящие на одном или на обоих электродах с использованием активных веществ при разомкнутой внешней цепи. Мерой саморазряда является относительная потеря емкости за единицу времени;

• сохраняемость - время, в течение которого источник годен к употреблению;

• срок службы - время, в течение которого источник пригоден для работы. Срок службы характеризуется числом условно-полных циклов зарядов и разрядов (УПЦ), в течение которых источник способен отдавать энергию не ниже допустимой. Величина УПЦ является одной из контрольных характеристик при эксплуатации;

• напряжение и ток разряда (заряда) U_раз, I_раз (U_зар,I_зар).