1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (Электрохимическая энергетика. Н.В. Коровин, 1991u), страница 2

о оянный электрицни (1.3) во внешней цепи генерируется постоянны ческий ток, т.е. химическая энергия реакции (1.3) преврашается в электрическую энергию. Реакция, химиче имическая эне гия которой в элементе превращается в электрическую, получила название тохообразующей реакции. В данном случ м сл чае токообразующей является реакция (1.3). После расхода окислителя и восстановителя эл м я элемент выходит из строя, поскольку он является элементом одн р о азового действия.

Гальванический элемент одноразового д ействия (непрерывного или прерывистого) получил название первичного элемента (ПЭ). Схема ПЭ приведена на рис. 1.1,а. 7 Н э + 1/2 Оз = Н9 о. Н О Н +1У2О9. (1.4 Нз + 2 ОН -2 е 2 Н1О. (1.5 яэ тэ эя Эх эк кн а) е) 6) г) д) е) Рис. 1.1. Схемы электрохимических элементов и ячеек: о- первичный элемент; б — топливный элемент; е — электролнэная ячейка; э электрохимический аккумулятор; д — электрохимический конвертор; е — кисл ролный насос; Кй — кислоролный насос; Ок — окислитель; 3 — восстановит Э -электролит; Р -реатент;пр -продукт реакции вэ -воэлух Топливные элементы.

Если вместо расходуемых элек родов в элементе применяют нерасходуемые, а реагенты хра нят вне элемента и подают в него в процессе работы, то такое устройство называют топливным элементом (ТЭ). В ТЭ электроды служат проводниками первого рода и катализаторами электрохимических реакций. В качестве примера рассмотрим работу кислородно-водородного ТЭ с щелочным электролитом (водным раствором КОН).

Токообразующей в ТЭ будет реакция образования воды из водорода и кислорода: Схему ТЭ можно записать в виде (+) Оэ, Меу ~КОН)Мех,Н1(-), где Ме1 и Мех — нерастворимые электроды, катализирующие ре акции. При замыкании внешней цепи на аноде происходит электр химическое окисление водорода (топлива): На катоде идет электРохимиЧеское восстановление кислорода (окислителя) игО, +Н,О+ге--гОН-. (1.6) 1"идРоксид-ионы двигаютсЯ в элементе от катода к анодУ, а электроны во внешней цепи от анода к катоду.

Суммируя реактдии (1.5) и (1.6), получаем реакцию (1.4). Поскольку во внешней цепи перемещаются электроны, т.е. возникает электрический ток, то в ТЭ химическая энергия реакции (1.4) преобразуется в электрическую энергию. для осуществления (1.4) по электрохимическому пути необходимо разделить окислитель и топливо, обеспечить протекание (1.5) и (1.6) и направленное движение ионов и электронов. Все эти Функции выполняет ТЭ. Простейшая схема ТЭ приведена на рис. 1.1,6.

Электроды ТЭ обеспечивают протекание электрохимических реакций, подвод и отвод электронов, электролит — движение ионов и разделение окислителя и восстановителя. В отличие от ПЭ топливный элемент может работать длительно. Он преобразует химическую энергию в электрическую до тех пор, пока в него поступают реагенты. Срок действия ТЭ определяется не запасом реагентов, как в ПЭ, а другими причинами, которые будут рассмотрены позднее. Электролизная ячейка.

Процесс преобразования электрической энергии в химическую происходит в электролизных ячейках (ЭЯ), в которых под действием электрического тока протекают химические реакции (электролиз). Например, при электролизе вода разлагается на водород и кислород: Как видно, реакция (1.7) является обратной реакцией (1,4). Простейшая электролизная ячейка, как и элемент, состоит из двух электродов и ионного проводника (электролита) между ними. Под действием электрического тока на катоде ячейки идет электрохимическое восстановление окислителя, на аноде— злектрохимическое окисдение восстановителя. В электролите двигаются ионы между электродами.

Например, при электролизе воды в ячейке с щелочным электролитом на катоде идет реакция 9 2Н10+2е Н1+20Н, (1.8) на аноде — реакция (1.9) 20Н--2е- 1/201+ Н10 (+) РЬ01 ~ Н1804 ~ РЬ(-). Процесс заряда и разряда выражаетоя следующим урааненивьс РЬ01+ РЬ + 2 Н1804 ~ 2 РЬБ04 + 2 НЗО. Разряд Заряд (1.10) Уравнение реакции (1.10) является суммой уравнений реакций, происходяших на положительном и отрицательном электродах ЭА: В электролите (растворе КОН) гидроксид-ионы двигаются от катода к аноду.

Суммируя (1.8) и (1.9), получим (1.7). Схема электролизной ячейки приведена на рис. 1.1,в. Электрохимический аккумулятор. Устройство, в котором происходит как процесс преобразования химической энергии в электрическую, так и обратный процесс преобразования электрической энергии в химическую, получил название электрохимического аккумулятора (ЭА) или просто аккумулятора. Из определения следует, что ЭА сочетает в себе как ГЭ, так и электролизную ячейку.

Процесс преобразования электрической энергии в химическую называется зарядом ЭА, в этом режиме ЭА работает как электролизная ячейка. В процессе заряда происходит накопление энергии в виде химической энергии окислителя и восстановителя. Процесс преобразования химической энергии в электрическую получил название разряда ЭА. В этом режиме ЭА работает как ГЭ. Рассмотрим в качестве примера процессы в свинцовом аккумуляторе, электрохимическую систему которого можно записать в виде Комбинированная ячейка. Некоторые электрехимические ячейки могут при малых токах работать как ТЭ, а при высоких токах как электролизеры. Примером такой ячейки может быть электрохимический конвертор, на один электрод которого подается вода, а на другой — топливо, например СО.

Схема конвертора с твердым оксидным электролитом имеет вид (+) Н10, Ме11Е101, хзОз~Ме1, СО (-). На аноде окисляется СО: СО+ 0'- -2 е- СОг На катоде восстанавливается вода: Н10 + 2 е Н1+ О* . Суммарной реакцией будет конверсия СО: СО + Н10 = СОЗ + НЗ ° (1.14) (1.15) При малых токах реакция может протекать самопроизвольно с генерацией электрической энергии, т.е.

как в ТЭ. При повышении тока процесс может протекать лишь при подводе электрической энергии извне, т.е. как в электролизере. Схема электрохимического конвертора (ЭК) приведена на рис. 1,1,д. Электрохимический сепаратор. Если к одному из электродов подвести смесь газов, один из компонентов которого избирательно реагирует на данном электроде, то под действием постоянного тока на втором электроде будет выделяться данный компонент. Примером такого электрохимического сепаратора может служить кислородный насос, состоящий нз двух электродов и твердого электролита (Е101, у101). К одному из электродов подается воздух, при этом происходит восстановление кислорода.

Остальные компоненты воздуха не реагируют на электроде: (1.16) 01+ 4е- 20з . (1.12) 1Э Разряд (+)РЬОЗ+НЗЯ04+2Н++2е 2РЬЯ04+2НЗО, Заряд Разряд (-)РЬ+НЗВ04-2е - РЬЯ04+2Н+. Заряд Ионы кислорода двигаются в твердом электролите к другому электроду, на котором происходит выделение кислорода, 20*- — 4е - О . (1.17) 11 Таким образом, под действием постоянного тока происходит выделение кислорода из смеси газов. Схема кислородного насоса приведена на рис.

1.1,е. 1.1.2. Химический источник тока. Первичные элементы и ЭА используются как химические источники тока (ХИТ). Первичные элементы называют первичными ХИТ, а ЭА называют вторичными ХИТ. Кроме окислителя, восстановителя и ионного проводника ХИТ обычно включает сепараторы для отделения катода от анода, токоотводы, уплотнители, корпуса, клеммы. К реагентам некоторых ХИТ добавляют вещества, повышающие электронную или ионную электрические проводимости, замед.

ляющие коррозию металлов, улучшающие стабильность элект ролита и т.д. Так как напряжение ПЭ и ЭА обычно лежит в пределах 1-3 В, то для повышения напряжения многих ХИТ последовательно соединяют два или более ПЭ и ЭА. Химический источник тока, состоящий из двух или более электрически соединен. ных первичных ХИТ, называют гальванической батареей. Вто. ричный ХИТ, состоящий из двух или более электрически сое. диненных ЭА, называют аккумуляторной батареей (АБ). 1.1.3. Электрохим ические генераторы, энергоуста невки ц электростанции.

Топливный элемент, как и ПЭ, кроме электро. дов и ионного проводника включает ряд дополнительных частей, таких, как межэлектродные мембраны, уплотнителы ные и дистанционнрующие прокладки, камеры для реагентов и др. В отличие от первичного ХИТ, топливные элементы не могут работать самостоятельно. Для обеспечения работы ТЗ необх одимы непрерывная подача топлива и окислителя, а также отвод продуктов реакции.

В ТЭ наряду с генерацией электроэнергии выделяется тепло, которое необходимо от него отводить. Таки м образом, ТЭ может работать лишь при наличии вспомогател ь. ных устройств, обеспечивающих подвод реагентов, отвод пр о. дуктов реакции и тепла. Для увеличения напряжения и тока ТЭ электрически соеди. няют в батареи. В батарее ТЭ должны быть также соединены друг с другом через системы подвода реагентов и отвода пр о дуктов реакции и тепла. Для обеспечения работы ТЭ в задан ных пределах параметров необходима система автоматики' включающая подсистемы поддержания температуры, регули 12 рования параметров топлива и окислителя н пара р устройства.

Устройство, состоящее из батареи ТЭ, систем подачи топли. ва и окислителя, отвода продуктов реакции, термостатирования и автоматики, получило название злектрохимического генератора (ЭХГ) (рис. 1.2). В зависимости от типа ТЭ и назначения ЭХГ изменяются и вспомогательные устройства ЭХГ. Рис 11 Схема электрохимическогогенератора В свою очередь ЭХГ входит в состав электрохимнческой энергоустановки (ЭЭУ), которая кроме ЗХГ включает системы: хранения и подготовки топлива, хранения и подготовки восстановителя, хранения и переработки продуктов реакции и примесей, использования тепла, регулирования электрических параметров ЭЭУ. В зависимости от типа ЭХГ и видов исходного топлива и окислителя, назначения ЗЭУ, устройство ЗЭУ может меняться в шйроких пределах.

Так, при использовании кислоРода воздуха отпадает необходимость в системе хранения окислителя. В некоторых ЭЭУ могут отсутствовать системы хранения и переработки продуктов реакции и примесей, системы использования тепла ЗЗУ. Стационарная ЭЭУ большой мощности, работающая на природных видах топлива, получила название электрохимической электростанции (ЭЭС).