10.5.2 АкумуляторИ

Акумулятор  це прилад тривалого багаторазового використання, в якому під дією зовнішнього джерела струму накопичується хімічна енергія, здатна перетворюватися в електричну. Процес перетворення хімічної енергії в електричну при роботі акумулятора називається розрядка акумулятора; при цьому акумулятор поводить себе як гальванічний елемент. Зарядка акумулятора – це накопичування хімічної енергії при пропусканні через систему зовнішнього електричного струму.

Найбільше практичне значення одержали свинцеві акумулятори, які іноді називають кислотними, оскільки в них використовується сульфатна кислота. При роботі, тобто під час розрядки цього типу акумуляторів роль анода виконує негативно заряджений електрод із свинцевих перфорованих пластин, заповнених губчастим свинцем, а катода  позитивно заряджений електрод із PbO₂. Схема гальванічного елемента, що утворюються при роботі акумулятора: () Pb | H⁺, SO₄^2 | PbO₂ (+).

Коли відбувається розрядка, на аноді проходить окиснення, а на катоді  відновлення:

()А: Pb⁰+ SO₄^2  2ē PbSO₄, = 0,36В,

(+)K: PbО₂ + 4H⁺ + SO₄^2 + 2ē  PbSO₄ + 2H₂O, = +1,68В.

Електрорушійна сила акумулятора, як і будь-якої електрохімічної системи, визначається різницею між потенціалами катода і анода:

де Е⁰  стандартна ЕРС, що дорівнює Е⁰ =  = 1,68 (0,36) = 2,02В.

Коли напруга на електродах спадає до 1,8В, акумулятор вважається розрядженим. При його зарядці полярність електродів не змінюється, але реакції перебігають у зворотному напрямку: негативний електрод, що при розрядці був анодом, тепер стає катодом, на ньому відбувається реакція відновлення. І навпаки, позитивний електрод, який був катодом, під час зарядки відіграє роль анода і окиснюється:

()K: PbSO₄ + 2ē  Pb + SO₄^2,

(+)А: PbSO₄ + 2H₂O  2ē  Pb₂ + 4H⁺ + SO₄^2.

Сумарна реакція у свинцево-кислотному акумуляторі:

10.5.3 Паливні елементи

Паливні елементи – це гальванічні елементи, в яких електрична енергія утворюється за рахунок хімічної енергії відновника (палива) і окисника, що безперервно і окремо надходять на електроди ззовні.

Найчастіше відновником на негативному електроді буває водень або гідразин N₂H₄, а окисником на позитивному електроді  кисень чи повітря. Для прикладу розглянемо роботу киснево-водневого паливного елемента з лужним електролітом, схема якого має вигляд

А() Н₂, Ме | KOH | Me, O₂ (+) K,

де Ме  металічний провідник першого роду, який відіграє роль каталізатора електродного процесу і відводить струм.

Звичайно застосовують дрібнопоруваті нікелеві електроди з напиленими каталізаторами (Pt i Pd – на тому, через який дифундує Н₂, та Al i Co – на тому, через який дифундує О₂). Електродні процеси у киснево-водневому паливному елементі протікають згідно з рівняннями:

() А: Н₂ + 2ОН^  2ē  Н₂О,

(+) К: ½ О₂ + Н₂О + 2ē  2ОН^.

При складанні анодної та катодної напівреакцій одержуємо сумарне рівняння процесу, що відбувається у киснево-водневому паливному елементі:

Н₂ + ½ О₂  H₂O.

У зовнішньому ланцюгу електрони переміщуються, як і у будь-якому гальванічному елементі, від анода до катода, а у розчині, навпаки, переносники зарядів (гідроксильні йони ОН^) рухаються від катода до анода. Внаслідок перебігу хімічної реакції у ланцюгу генерується постійний струм, а хімічна енергія перетворюється безпосередньо в електричну.