2. Практическое применение электрохимических систем.

Одним из наиболее перспективных является электрохимический способ преобразования химической энергии в электрическую, который осуществляется в ХИТах. К их достоинствам относится высокий КПД, бесшумность, безвредность, возможность использования в космосе, под водой, в переносных устройствах, на транспорте и т.д. к ХИТам относятся ГЭ, аккумуляторы и топливные элементы.

Гальванические первичные элементы (однократного действия)

Рассмотрим для примера работу сухого Mn – Zn элемента, широко применяемого для питания радиоаппаратуры, магнитофонов, карманных фонарей и др. анодом в элементе служит ZN электрод, катодом – электрод из смеси MnO₂ с графитом, токоотводом служит графит (1). В качестве электролита используется паста, состоящая из раствора NH₄Cl с добавкой муки или крахмала (загустителя) или бумага, пропитанная раствором электролита (2).

Аккумуляторы – ГЭ многоразового и обратимого действия. В аккумуляторах под воздействием внешнего источника накапливается химическая энергия – зарядка. Затем эта энергия переходит в электрическую при разрядке аккумулятора. При зарядке аккумулятор работает аккумулятор работает как электролизер, при разрядке – как ГЭ.

Свинцовый аккумулятор – наиболее простой вариант. Он состоит из двух перфорированных Pb пластин. В ячейки запрессовывается смесь PbO с глицерином. Пластины опускают в 25-30% раствор H₂SO₄. аккумуляторы соединяют в батарею, которая помещается в баки из эбонита или полипропилена. В результате взаимодействия PbO и H₂SO₄ в поле обоих электродов образуется PbSO₄.

Зарядка: К(-):PbSO₄ + 2е = Pb⁰ + SO₄^2-

А(+):PbSO₄ - 2е = PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺

――――――――――――――――――――

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

Разрядка: Е⁰ = 1,68 К(+):PbO₂ + 2е + 4H⁺ + SO₄^2- = PbSO₄ + 2H₂O

Е⁰ = -0,36 А(-): Pb - 2е + SO₄^2-= PbSO₄

――――――――――――――――――――

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O

Е = 1,68-(-0,36) = +2,04(В)

Используется в автомобилях, с/х и дорожных машинах, на электростанциях, телефонных станциях и др. Помимо свинцового, в практике находят применение Ni – Ca, Ni – Fe, Ag – Zn аккумуляторы.

Если Ox и Red хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы называются топливными. В ТЭ химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, превращается в электрическую энергию.

В качестве Red можно применять уголь, кокс, природные и искусственные горючие газы; в качестве Ox – О₂ или воздух. Наиболее энергетически выгодный вид топлива – H₂, H₂:О₂. ТЭ обычно изготавливаются с применением мелкопористых угольных или никелевых электродов, погруженных в щелочной электролита.

Схема: A(-) Ni , H₂ | KOH (30-40%) | О₂, Ni (+) K

A(-) 2H₂ + 4OH^- = 4H₂O + 4e

K(+)О₂ + 2H₂O + 4e = 4OH^-

2H₂ + О₂ = 2H₂O

E⁰_O2/H2 = 1.229 В( не зависит от состава раствора электролита)

Для эффективной работы ТЭ используют катализаторы, которые наносят на электрод. Для H₂ электрода катализатором являются платиновые металлы, а для О₂ электрода – смешанные катализаторы из Co и Al или Fe, Mn и Ag. ТЭ применяют в спутниках и космических кораблях, планируется применение ТЭ вместо двигателей внутреннего сгорания на транспорте и т.д.

Лекция 9