6.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

,   E_э = 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

 E_э = 1,45 В.

 E_э = 1,48 В.

Этот тип аккумуляторов обладает меньшими К.П.Д. и напряжением по сравнению с кислотным.

7.Топливные элементы

Топливный элемент— электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

В топливном элементе окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в 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 E_э = 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

.