8.5.2. Аккумуляторы

Аккумуляторы – это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая – снова превращается в электрическую. Процесс накопления химической энергии называется зарядом аккумулятора, процесс превращения химической энергии в электрическую – разрядом. При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде - как гальванический элемент. Процессы заряда – разряда в аккумуляторах осуществляются многократно.

Одним из наиболее распространенных является свинцовый (или кислотный) аккумулятор, в котором электролитом является 25 - 30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решетки, первоначально заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в PbSO4. Решетки отделяются друг от друга пористыми сепараторами.

Схематическое изображение свинцового кислотного аккумулятора имеет вид

Pb|H2SO4|PbO2|Pb,

а токообразующая реакция описывается уравнением

, Eэ = 2.1 В.

В результате заряда активная масса одного электрода превращается из PbSO4 в Pb, а активная масса второго электрода из PbSO4 – в PbO2.

Свинцовые аккумуляторы обладают высоким к.п.д. (до 80 %), высокой э.д.с., простотой и малой ценой, что обуславливает их широкое применение на транспортных средствах в качестве стартерных аккумуляторов. Срок службы аккумулятора до 5лет.

Щелочные аккумуляторы обладают большим сроком службы, до 10 лет, и высокой механической прочностью. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы, в которых электролитом служит 20-23 % раствор KOH. Положительным электродом является гидроксид никеля, отрицательным – либо кадмий, либо железо.

Уравнения электродных процессов описываются уравнениями

Eэ = 1,45 В.

Eэ = 1,48 В.

Этот тип аккумуляторов обладает меньшими к.п.д. и напряжением по сравнению с кислотным.

8.5.3 Топливные элементы и электрохимические энергоустановки

В топливном элементе окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам, где происходит непосредственное превращение химической энергии в электрическую. Электроды топливного элемента в процессе работы не расходуются. Удельная энергия топливного элемента (энергия единичного объема или массы) значительно превышает энергию гальванических элементов. В качестве восстановителя в топливных элементах используют водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4) в жидком или газообразном состоянии, окислителем, обычно, кислород воздуха или чистый.

В кислородно-водородном топливном элементе (рис. 23) со щелочным электролитом (2) происходит превращение химической энергии в электрическую в реакции

Н2 + ½O2 = H2O.

К аноду (1) топливного элемента подводится топливо (восстановитель – H2), к катоду (3) – окислитель (кислород).

Схема элемента имеет вид

где M – проводник 1-го рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода. На аноде протекает реакция окисления водорода

H2 + 2OH‾ - 2e‾ = 2H2O,

а на катоде восстановление кислорода

½O2 + H2O + 2e‾ = 2OH‾.

В результате протекания токообразующей реакции

H2 + ½O2 = H2O

во внешней цепи протекает электрический ток, и химическая энергия превращается в электрическую.

Стандартная э.д.с. водородно-кислородного топливного элемента Eэ = 1,23 В. Для большинства элементов э.д.с. составляет 1,0 – 1,5 В.

В процессе работы электроды топливного элемента поляризуются, в результате чего э.д.с. элемента уменьшается. Для снижения поляризации применяют катализаторы, пористые электроды из высокодисперсных порошков металла или угля, обладающие большой площадью поверхности, увеличивают температуру протекания реакции и концентрацию электролита. В качестве катализаторов электродов топливного элемента используют Ag, металлы платиновой группы, специально обработанные никелем и кобальтом и активированный уголь. На этих электродах уже при 25 – 100 ºС достигается выcокая скорость восстановления O2 и окисления H2, поэтому их называют низкотемпературными.

Окисление природных видов топлива: нефти, газа, угля проводят в высокотемпературных топливных элементах, работающих при 500 ºС и выше. В качестве электролита в высокотемпературных топливных элементах используются или расплавы солей (Li2CO3 + Na2CO3), или твердые электролиты, например, смесь ZrO2 и Y2O3. Обычно природное топливо подвергают предварительной обработке водяным паром в присутствии катализаторов. В результате конверсии метана в присутствии катализатора получают смесь газов, содержащую водород, которую направляют в топливный элемент

.

Для увеличения напряжения и тока топливные элементы соединяют в батареи. Для непрерывной работы топливного элемента необходимы устройства для подвода реагентов, отвода продуктов реакции и теплоты. Все это вместе взятое называют электрохимической энергоустановкой. Мощность электрохимических энергоустановок составляет от десятков ватт до десятков мегаватт. к.п.д. энергоустановок в 1,5 – 2 раза превышает к.п.д. тепловых машин. Они меньше загрязняют окружающую среду.

Наиболее разработаны кислородно-водородные энергоустановки, которые нашли применение на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой - продуктом реакции.

Широкому применению электрохимических энергоустановок препятствует их высокая стоимость и относительно короткий срок службы.