Гальванические элементы. Аккумуляторы. Топливные элементы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»

Кафедра химии

Курсовая работа

по учебной дисциплине «Химия»

на тему: «Гальванические элементы. Аккумуляторы. Топливные элементы»

Студента 1 курса

Новикова А.А.

Гомель, 2017

Введение

Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно - важных систем.

1. История изучения гальванических процессов

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) -- Луиджи Гальвани в 1786 году: Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закреплённых на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление -- создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение -- А. Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Русский учёный Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги.

Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

U = Eэ - I(r1-r2) - ДE,

где Еэ - ЭДС элемента;

I - сила тока в режиме работы элемента;

r1 и r2 - сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента;

ДЕ - поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода).

Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле

i = I/S,

где S - площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако, чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение:

ДН = Q*U

Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.

Состав гальванического элемента: восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) - оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.

Самым массовым в мире остается производство марганец-цинковых элементов Mn-Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке

Токообразующими реакциями в этом элементе являются:

- на аноде (-): Zn - 2з > Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);

- на катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2з > Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

В электролитическом пространстве также идут процессы:

- у анода Zn2+ + 2NH3 >[Zn(NH3)2]2+;

- у катода Mn2O3 + H2O > [Mn2O2(OH)2] или 2[MnOOH].

В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl > [Zn(NH3)2]Cl2 + 2[MnOOH].

Схема гальванического элемента:

(-) Zn|Zn(NH3)2]2+||[MnOOH]|MnO2 (С) (+).

ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ч 1,50В.

2. Гальванические источники тока

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e-

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом (цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

3. Типы гальванических элементов

1. Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

2. Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

3. Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

4. Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

5. Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролити катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценойлития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

4. Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:

1. Обратимые электроды

1.1. Электроды 1-го рода -- электроды, состоящие из металла, погружённого в раствор его соли;

1.2. Электроды 2-го рода -- электрод, состоящий из металла, погружённого в раствор его нерастворимой соли, который содержит общий анион с нерастворимой солью (хлорсеребряный электрод, каломельный электрод, металл-оксидные электроды);

1.3. Электроды 3-го рода -- электроды, состоящие из двух нерастворимых осадков электролитов: в менее растворимом есть катион, который образуется из металла электрода, а в более растворимом -- есть общий анион с первым осадком;

1.4. Газовые электроды -- электроды, состоящие из неактивного металла в растворе и газа (кислородный электрод, водородный электрод);

1.5. Амальгамные электроды -- электроды, состоящие из раствора металла в ртути;

1.6. Окислительно-восстановительные электроды -- электроды, состоящие из неактивного металла (ферри-ферро-электрод, хингидронный электрод).

1.7. Ионоселективные мембранные электроды

2. Электроды с ионообменной мембраной с фиксированными зарядами -- стеклянный электрод;

2.1. Электроды, состоящие из жидких ассоциированных ионитов;

2.2. Электроды с мембраной на основе мембраноактивных комплексонов;

2.3. Электроды с моно- и поликристаллической мембранами.

5. Классификация гальванических элементов

Гальванические первичные элементы -- это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля--Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше: цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Вторичные источники тока (аккумуляторы) -- это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая -- снова превращается в электрическую.

Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25--30% раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) -- PbSO4.

Также существуют щёлочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) -- это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента, электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород -- из воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щёлочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях:

6. История изучения и основные характеристики аккумуляторов

Первым кто открыл возможность получения тока иным, чем электризация трением, способом был итальянский ученный ЛуиджиГальвани (1737-1798). Однажды он заметил, что лапка мёртвой лягушки пришла в движение при соприкосновении с её нервом стального скальпеля. Это открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения причины возникновения электрического тока.

В основе принципа действия различных типов аккумуляторов лежит явление электролиза, где используется его важное свойство - обратимость. Электролиз - изменение химического состава раствора при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами.

Аккумулятор - прибор для накопления электрической энергии с целью её дальнейшего использования.

Аккумулятор можно изготовить аналогично гальваническому элементу, использовав для этой цели две свинцовые пластины, погруженные в раствор, содержащий одну часть серной кислоты на пять частей воды. Для зарядки аккумулятора соединяют последовательно два таких элемента и амперметр и пропускают через них ток.

Как только через аккумулятор начинает идти ток, возле катода возникают пузырьки водорода. На аноде, как следовало ожидать, освобождается кислород. Однако его выделением дело не ограничивается. Пластина анода постепенно приобретает темно-коричневый цвет вследствие образования на ее поверхности перекиси свинца (PbO2) за счет того, что некоторое количество кислорода соединяется химически с материалом пластины. При образовании PbO2 ток зарядки падает, указывая на возрастание сопротивления аккумулятора. Когда аккумулятор зарядится полностью, присоединяемый к нему вольтметр покажет напряжение несколько более 2 вольт.

В сущности, процесс зарядки состоит в том, что две одинаковые вначале пластины аккумулятора вследствие электролиза становятся разными; одна из них, по-прежнему остаётся свинцовой (-), а материал другой превращается в перекись свинца (+).

Химические реакции в аккумуляторе протекают следующим образом (в процессе зарядки реакции идут слева направо, при разрядке - в обратном направлении): Зарядка >, < Разрядка

2PbSO4 + 2H2 O PbO2 + Pb + H2 SO4

При производстве промышленных аккумуляторов положительные пластины покрывают очень толстым слоем перекиси свинца. Отрицательные пластины делают из пористого губчатого свинца.

Напряжение обычной аккумуляторной батареи, состоящей из трех последовательно соединенных аккумуляторов, составляет немногим больше 6 вольт. Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи - около 75%. Цифра, указывающая долю запасенной в аккумуляторе электроэнергии проставляется на батарее. Она выражается в ампер-часах. Например, 120 ампер-часов. Значит при полной зарядке аккумулятор сможет давать ток в 1 ампер в течение 120 часов, или ток в 2 ампера в течение 60 часов.

Благодаря внутреннему низкому сопротивлению аккумуляторов можно получать очень сильные токи.

Батарею постоянно следует поддерживать в заряженном состоянии частой подзарядкой, даже если она не находится в работе. Зажимы батареи необходимо содержать в чистоте и смазывать вазелином для предотвращения коррозии. Ни в коем случае нельзя допускать замерзания батарей.

Основное применение аккумуляторные батареи имеют для запуска двигателей автомобилей и других машин. Так же их можно использовать как временные источники электроэнергии в отдаленных от населенных пунктов местах. При этом не следует забывать, что аккумуляторы нужно поддерживать в заряженном состоянии (энергия солнца, например). В автомобилях будущего аккумуляторы планируется использовать для питания экологически чистых электромоторов.

Свинцово-кислотный аккумулятор-- наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода -- на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо -- разряд, справа-налево -- заряд):

Катод:

Анод:

гальванический электрод аккумулятор кислотный

В итоге получается, что при разрядке аккумулятора расходуется серная кислота с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при зарядке, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет). В конце зарядки, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде -- кислород. При зарядке не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо ее долить.

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO2). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляют сурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Сейчас в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/смі. Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 ?1,31 г/смі. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о., становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной - помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.

Физические характеристики:

Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг.

Удельная энергоплотность (Вт·ч/дмі): около 1250 Вт·ч/дмі.

ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 -- 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

КПД: порядка 80-90%

Эксплуатационные характеристики

Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

·Стартерный ток(для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус акуумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Очень приблизительно можно считать, что емкость снижается вдвое при снижении окружающей температуры на каждые 15°С начиная от +10°С, то есть, при температуре -45°С свинцово-кислотный аккумулятор способен отдать лишь несколько процентов первоначальной емкости. Снижение емкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объеме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь. Еще быстрее снижаются зарядные параметры. Фактически, начиная с, примерно -15°С, заряд свинцово-кислотного аккумулятора почти прекращается, что приводит к быстрой прогрессирующей разрядке аккумуляторов при эксплуатации в режиме коротких частых поездок (так называемый, "режим доктора"). В этих поездках аккумулятор практически не заряжается, его необходимо регулярно заряжать внешним зарядным устройством.

Считается, что не полностью заряженный аккумулятор в мороз может растрескаться из-за замерзания электролита. Однако раствор серной кислоты в воде замерзает совсем не так, как чистая вода - он постепенно густеет, плавно переходя в твердую форму. Такой режим замерзания вряд ли способен вызвать разрыв стенок незамкнутого сосуда (а банка аккумулятора - незамкнутый объем). Электролит, в массовой литературе называемый "замерзшим" фактически еще можно перемешивать.

Растрескивание стенок аккумулятора при морозах действительно бывает, но в основном является следствием изменения свойств применяемого для стенок материала, а не расширением электролита при замерзании.

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже ?20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре -- 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением). Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение емкости аккумуляторной батареи.

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество - сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из недостатков, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

- сульфатацияпластин, заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;

- коррозияэлектродов, т.е. электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала токоотводов;

- слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;

- оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.

Хотя «мертвую» батарею, как правило, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способыспособные «десульфатизировать» пластины. Простой способ предполагает использование раствора сульфата магния (лекарства). Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволят несколько продлить срок использования устройства. Также возможно соединить две слабые батареи параллельно. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта -- например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи - минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести -- то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с просторным моторным отделением.

8. Электрический аккумулятор

Электрический аккумулятор -- химический источник тока многоразового действия (в отличие от гальванического элемента, химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию в них, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Принцип действия

Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею. Ёмкость аккумуляторов обычно измеряют в ампер-часах.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с большим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер-часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые -- к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

9. Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)

Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) -- вторичный химический источник тока, в котором анодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)2с графитовым порошком (около 5-8%), электролитом -- гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), катод -- гидрат закиси кадмия Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45 -- 65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 3500 циклов заряд-разряд.

Параметры

Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.

Удельная энергоёмкость: 45-65 Вт·ч/кг.

Удельная энергоплотность: 50-150 Вт·ч/дмі.

Удельная мощность: 150.500 Вт/кг.

ЭДС = 1,37 В.

Рабочее напряжение = 1,2 В.

Нормальный ток зарядки = 1/4 ёмкости, время зарядки = 6 часов.

Саморазряд: 10 % в месяц.

Рабочая температура: ?15…+40 °С.

В отличие от обычных, одноразовых, элементов питания, NiCd-аккумулятор держит напряжение «до последнего», а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Это приводит к проблемам при использовании батарей, состоящих из большого количества элементов. Недорогой контроллер аппаратуры, использующей аккумуляторы, может "не заметить" переразряда одного элемента, в результате чего резко падает ресурс батареи в целом.

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды технологически дешевле и обладают более высокими показателями заявленной емкости, в связи с чем все аккумуляторы "бытового" назначения -- прессованные. Однако прессованные системы подвержены так называемому "эффекту памяти". Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электрохимической системе аккумулятора появляется "лишний" двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1В. Типичный контроллер аппарата, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как разрядку батареи и сообщает, что батарея "плохая". Реального снижения энергоемкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, "убивает" батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от "эффекта памяти" прессованных электродов, сколько от "эффекта беспамятства" недорогих контроллеров.

Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет емкость, хотя напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При систематических недозарядках NiCd аккумуляторы теряют первоначальную ёмкость, но перезарядов они не боятся, а наоборот, повышают свою активность. Поэтому их лучше перезаряжать, чем недозаряжать.

При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумулятора с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде, тогда после первой же зарядки аккумулятор будет полностью готов к использованию.

Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на порядок-два ниже, мощность выдается стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах, трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для аккумуляторных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Несмотря на развитие других электрохимических систем и ужесточение требований по экологичности, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются безальтернативным выбором для высоконадежных решений с большой удельной мощностью, например, фонари для дайвинга.

10. Основные характеристики топливных элементов

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.

Топливный элемент - это гальванический элемент, в котором химическая энергия топлива преобразуется электрохимическим путем в электрическую энергию. Топливо и окислитель при этом непрерывно и раздельно подводятся к ячейке, в которой они реагируют на двух электродах.

Топливный элемент -- это первичный элемент, который в принципе производит ток, пока к нему подводятся активные вещества. В отличие от этого обычные первичные элементы получают электрическую энергию из «активной массы» электродных пластин и поэтому обладают ограниченной емкостью. То же самое можно сказать и обо всех вторичных элементах, так называемых аккумуляторах, которые после разряда активной массы должны снова заряжаться от внешнего источника тока.

К топливам, которые можно использовать для подобных элементов, относятся наряду с природными видами топлива, такими, как уголь и углеводороды, также и вещества, которые могут быть из них получены простым путем: спирты, альдегиды, окись углерода и водород.

Эти источники энергии обладают рядом преимуществ. К ним относятся: относительно малые удельный объем и вес, отсутствие движущихся частей, бесшумность и хорошая способность к перегрузке. Коэффициент полезного действия лежит между 30 и 75% и растет с уменьшением нагрузки в противоположность теплосиловым установкам и двигателям внутреннего сгорания. Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.

Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день -- их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен -- все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.

Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а, следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.

Преимущества топливных элементов делают их пригодными для ряда интересных областей применения. Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях -- как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.

В топливных элементах содержащаяся в топливе энергия при электрохимическом производстве энергии непосредственно преобразуется в электрическую. Исключается окольный, связанный с потерями путь через тепловую и механическую энергии. Свободная энергия реакции окисления топлива

ДG = ДH - TДS

E0 = -

Топливо и окислитель подводятся к соответствующим электродам. Благодаря электрохимической активности реагентов на них устанавливается определенный потенциал: топливный электрод становится отрицательным, а кислородный электрод - положительным полюсом элемента. При соединении обоих полюсов через нагрузочное сопротивление реагенты электрохимически преобразуются, причем освобождающиеся на топливном электроде электроны текут через внешнюю цепь к противоположному электроду. Принцип работы топливного элемента можно пояснить на примере Н2 - О2 - элемента. В электролит с ионной проводимостью (например, серная кислота или калийная щелочь) погружены два платиновых электрода. Один электрод омывается водородом (отрицательный полюс), другой - кислородом (положительный полюс). Между двумя полюсами элемента возникает стационарное напряжение 0,9-1,2 В. При соединении обоих полюсов через нагрузочное сопротивление на каждую электрохимически прореагировавшую молекулу водорода от отрицательного полюса элемента текут два электрона к положительному полюсу, на котором электроны реагируют с адсорбированным кислородом. В отличие от обычного сгорания водорода и кислорода электрохимическое взаимодействие («холодное горение») происходит на двух отдельных друг от друга местах реакции. В Н2 - О2 - элементе с кислым электролитом под действием каталитических свойств электрода молекула Н2 на поверхности электрода распадается на два атома. Атомы переходят в раствор в виде протонов, оставляя два электрона, которые текут через амперметр и нагрузочное сопротивление к положительному полюсу. На положительном полюсе кислород реагирует с протонами электролита и с двумя электронами с образованием воды.

Отрицательный полюс: 2Надс. > 2H+ + 2е-

Положительный полюс: 1/2O2 + 2Н+ + 2е- > Н2О.

Эти формулы отражают идеальный суммарный процесс электрохимического восстановление кислорода. Фактически реакция усложняется образованием Н2О2 и окислов металла кислородного электрода. Потребляемые на кислородном электроде ионы Н+ вновь преобразуется на водородном электроде.

Суммарная реакция: Н2 + 1/2 O2 > Н2О2

Электрохимическая реакция Н2 и О2 обратно электролиз воды, при котором благодаря приложение напряжения от внешнего источника тока называется процесс разложения воды на Н2 и О2. Как и в любом элементе для преобразования химической энергии в электрическую, электродвижущая сила (э.д.с.) Н2 - О2 - элемента определяется свободной энергии реакции. При низких температурах (<150 C) теоретическое значение э.д.с. не достигается, так как ионизация кислорода протекает через промежуточные стадии образования Н2О2.

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.

Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях -- как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.

Существуют различные типы топливных элементов - выбор подходящего типа топливного элемента зависит от его применения.

Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные.

Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта - тепло.

Реакция на аноде:

CO32- +H2 > H2O + CO2 + 2e-

Реакция на катоде:

СO2 + 1/2O2 + 2e- > CO32-

Общая реакция элемента:

H2 (g) + 1/2O2 (g) + CO2 (катод) > H2O(g) + CO2 (анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 3,0 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 110 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150-220°C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов, в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 > 4H+ + 4e-

Реакция на катоде: O2 (g) + 4H+ + 4e- > 2 H2O

...