34. Аккумуляторы. Устройство, принцип действия свинцового аккумулятора.
АККУМУЛЯТОРЫ электрические (от лат. accumulator- собиратель, накопитель), хим. источники тока многократного действия. При заряде от внеш. источника электрич. тока в аккумуляторе накапливается энергия, к-рая при разряде вследствие хим. р-ции непосредственно превращ. снова в электрическую и выделяется во внеш. цепь. По принципу работы и осн. элементам конструкции аккумуляторы не отличаются от гальванических элементов, но электродные р-ции, а также суммарная токообразующая р-ция в аккумуляторах обратимы. Поэтому после разряда аккумулятора может быть снова заряжен пропусканием тока в обратном направлении: на положит. электроде при этом образуется окислитель, на отрицательном-восстановитель.
Наиб. распространены свинцовые аккумуляторы, часто наз. также кислотными. Их действие основано на р-ции:
Электролит - р-р H2SO4 с концентрацией 12-24% по массе в разряженном состоянии и 28-40% в заряженном. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) 1,95-2,15 В. Чаще всего применяют электроды из пасты, содержащей смесь Рb3О4 и РbО с H2SO4 (активная масса); эту пасту намазывают на профилированную сетку-токоотвод из сплава Рb с 2-12% Sb. Электроды формируют, пропуская через р-р электролита зарядный ток в определенном режиме; при этом на одном электроде образуется РbО2, на другом-Рb. Затем электроды отмывают и сушат в условиях, исключающих возможность окисления Рb. Аккумуляторы, собранные из таких электродов, после заливки у потребителя р-ром H2SO4 готовы к эксплуатации без подзаряда (остальные виды аккумуляторов требуют дополнит. заряда). Применяют также панцирные электроды, в к-рых активная масса заключена в перфорированную пластмассовую или тканевую трубку.
Первый свинцовый аккумулятор был создан Г. Планте в 1859. Осн. достоинства таких аккумуляторов: относит. дешевизна, пологие разрядная и зарядная кривые, возможность работать в разл. режимах разряда; недостаток - невысокий ресурс работы (число допустимых циклов заряд-разряд для стартерных аккумуляторов 100-300, для тяговых с панцирными электродами 800-1500). В конце заряда на электродах свинцового аккумулятора наблюдается заметное выделение газов, к-рые часто увлекают за собой туман из капель H2SO4. В связи с этим большое внимание уделяется созданию герметизированных свинцовых акуумуляторов.
Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является перекись свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.
Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³
35. Топливные элементы.
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, устройства, вырабатывающие электрич. энергию за счет энергии окислит.-восстановит. р-ций жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне. Являются химическими источниками тока непрерывного действия.
В топливных элементах протекают токообразующие электрохим. р-ции: на отрицательном-с участием восстановителя (топлива), на положительном-с участием окислителя (чаще всего О2 или воздуха). Скорость поступления реагентов к электродам регулируется пропорционально токовой нагрузке, продукты токообразующей р-ции непрерывно выводятся из топливного элементы. Т. обр., топливный элемент способен работать практически неограниченное время, пока в него поступают реагенты и происходит отвод продуктов. Для обеспечения подачи реагентов и его регулирования, отвода продуктов и тепла требуются разл. вспомогат. устройства; совокупность этих устройств и батареи топливного элемента наз. электрохим. генератором.
В нач. 20 в. предполагалось создать топливные элементы для прямого превращения энергии прир. видов топлива-прир. газа, нефтепродуктов или оксида углерода, получаемого газификацией углей (отсюда назв.),-в электрическую как альтернативу тепловым машинам, кпд к-рых ограничен вторым началом термодинамики. Задача оказалась трудной из-за инертности этих топлив к электрохим. р-циям. В 60-х гг. 20 в. были разработаны водородно-кислородные топливные элементы с использованием щелочного р-ра электролита (обычно 30-40 %-ный водный р-р КОН) и в качестве топлива-водорода высокой степени чистоты. Эти топливные элементы (рабочая т-ра от 20 до 100°С, в отдельных вариантах до 160°С) предназначены для космич. кораблей, автономных устройств связи и т.д. В них используются т. наз. газодиффузионные электроды-пористые никелевые или угольные электроды с нанесенными катализаторами (дисперсные Pt, Ni, Ag и т.д.), к-рые, с одной стороны, контактируют с электролитом, с другой-с реагирующим газом. На отрицат. электроде водород электрохимически окисляется (Н2 + 2OH- : 2Н2О + 2е-), на положительном-восстанавливается кислород (1/2О2 + + Н2О + 2е- : 2ОН-). Образующаяся вода поступает в электролит (что требует рециркуляции электролита и удаления воды с помощью внеш. устройств) либо испаряется с пов-сти электродов (при рабочих т-рах выше 60 °С). Срок службы водородно-кислородных элементов до 10 тыс. часов.В дальнейшем началась разработка среднетемпературных (180-230°С) топливных элементов с фосфорнокислым электролитом и высокотемпературных топливных элементов с электролитом в виде расплава разл. карбонатов (рабочая т-ра 600-700 °С) или с твердым оксидным электролитом (900-1000 °С).