Химические источники тока

К ним относятся гальванические, или так называемые первичные, элементы, теряющие работоспособность после разряда, аккумуляторы или вторичные элементы, которые после разряда можно многократно заряжать снова, а также топливные элементы, в которых на нерасходуемых электродах идет реакция между окислителем и восстановителем, поступающими извне.

Примером первичного элемента может служить широко распространенные в быту «батарейки» — сухие элементы Лекланше. Их устройство показано схематически на рис. 16.6. Цинковый корпус элемента служит в нем анодом, а катод представляет собой графитовый стержень, помещенный во влажную пасту, содержащую MnO_v, NH₄C1 и ZnCl.,. На аноде происходит окисление цинка:

Рис. 16.6. Разрез элемента Лекланше:

• 1 — цинковая оболочка, служащая анодом; 2 — графитовый стержень, служащий катодом; 3 — паста, содержащая Mn0₂, NH₄Cl и ZnCl₂; 4 — песчаная прослойка; 5 — слой парафина;
• 6 — бумажная оболочка

а на катоде — восстановление аммиака.

причем газообразные продукты восстановления связываются диоксидом марганца и ионами цинка и хлора. Суммарной реакции.

отвечает разность потенциалов 1,5 В.

Примером вторичных элементов являются широко распространенные свинцовые автомобильные аккумуляторные батареи. Устройство свинцового (или кислотного) аккумулятора показано на рис. 16.7.

В раствор электролита — разбавленной серной кислоты — помещены электроды двух типов: анод из пористого свинца (восстановитель) и катод.

Рис. 16.7. Свинцовый аккумулятор:

1 — пластмассовый корпус; 2 — анод; 3 — катод; 4 — анодная пластина — свинцовая решетка, заполненная пористым свинцом; 5 — катодная пластина — свинцовая решетка, заполненная PbQ₂; 6 — электролит — раствор серной кислоты из спрессованного нерастворимого оксида свинца (1У) (окислитель). Заряженный аккумулятор дает ток за счет термодинамически выгодного окислительно-восстановительного процесса.

при котором на аноде происходит окисление свинца: а на катоде — восстановление диоксида свинца:

При зарядке аккумулятора эти же процессы идут в противоположном направлении — справа налево за счет пропускания постоянного тока от внешнего источника, отрицательный полюс которого присоединяется к аноду, а положительный — к катоду. Несмотря на относительно большую массу свинцовые аккумуляторные батареи остаются практически незаменимыми стартерными источниками тока, обеспечивающими относительно постоянное напряжение в 2 В на одну ячейку и выдерживающими высокие, порядка сотен ампер, токи разряда.

Обычно автомобильная аккумуляторная батарея состоит из шести последовательно соединенных ячеек и в заряженном состоянии дает напряжение 12 В.

Щелочные аккумуляторы имеют более высокую удельную энергию (в расчете па единицу массы батареи), чем кислотные. Наиболее распространены железо-никелевый и кадмий-никелевый аккумуляторы, в которых электролитом служит водный раствор сильной щелочи. Суммарная реакция, протекающая в них, описывается уравнением.

Топливные элементы особо привлекательны тем, что они превращают энергию химической реакции в электрическую непосредственно, без промежуточного преобразования в механическую, в отличие от обычных электростанций, получающих энергию за счет сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива, что всегда сопряжено со снижением коэффициента полезного действия и образованием экологически вредных продуктов сгорания. В то же время, в отличие от гальванических элементов или аккумуляторов, топливные элементы не связаны с ограниченным количеством энергии, запасенной внутри них. Окислителем в топливных элементах служит кислород (или воздух), а восстановителем (топливом) — водород или другие горючие газы или жидкости, подаваемые извне.

Схема наиболее известного топливного элемента — водородно-кислородного — показана на рис. 16.8.

В нем газообразный водород направляется на анод, а кислород — на катод. Внутри элемента, наполненного концентрированным раствором КОН, идут следующие реакции.

Рис. 16.8. Водородно-кислородный топливный элемент:

1 — вольтметр; 2 — контейнер; 3 — анод; 4 — катод Окисление водорода — на аноде.

Восстановление кислорода — на катоде:

Если мы вернемся к рис. 16.4, то без труда определим, что суммарной реакции

при pH = 14 отвечает разность потенциалов АЕ= 0,40 — (-0,83) = 1,23 В. Реально при рабочей температуре около 100 °C такие элементы обеспечивают разность потенциалов около 1 В. Высокая эффективность и образование в качестве продукта чистой воды делают подобные топливные элементы особенно удобными для космических станций.

Анод и катод изготовлены из пористого графита с добавкой катализатора.