Химические источники тока (гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы)

Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания.

Генерация энергии.

Всякий двигатель представляет собой систему, совершающую многократно некий круговой процесс (цикл). В круговых процессах рабочее тело после ряда преобразований вновь переходит в исходное состояние. В процессе расширения получается положительная работа. Вернуть тело в исходное состояние можно, подвергнув его сжатию. Чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, рабочее тело необходимо охладить. В паровом цикле на ТЭС пар после расширения в турбине охлаждают (конденсируют), а в двигателе автомобиля газ после рабочего хода поршня сбрасывается в атмосферу. Их экономичность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД).

Максимальный КПД получается в цикле Карно. Период расширения цикла Карно состоит из изотермы - процесс при постоянной температуре нагревателя (Т_н в градусах Кельвина) и адиабаты – процесс без передачи тепла q₁ холодильнику, в результате которого температура рабочего тела снижается до температуры охладителя - Т_х. Период сжатия включает изотерму при более низкой температуре с отводом к холодному источнику q₂ теплоты и адиабату сжатия, в результате чего температура рабочего тела поднимается до Т_н. КПД любого цикла равно отношению теплоты, перешедшей в работу ко всей подведенной теплоте:

КПД = (q₁ - q₂)/ q₁

Для цикла Карно он равен:

КПД = (Т_н - Т_х)/ Т_н

Из формулы КПД можно сделать три весьма важных вывода:

1. Вся подведенная к рабочему тела теплота не может быть преобразована в работу.
2. Если наряду с источником теплоты нет среды более низкой температуры (при отсутствии теплоперепада), то не может быть и работы.
3. КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела.

Химические источники тока (ХИТ) вырабатывают электрическую энергию при протекании в них электрохимических реакций. С точки зрения химии в элементе происходит растворение, т.е. окисление материала одного из электродов и восстановление (отложения слоя) другого. При этом из материала растворяющегося электрода в электролит переходят ионы металла, уносящие положительный заряд. Избыток остающихся электронов приводит к тому, что по отношению к электролиту металл оказывается отрицательно заряженным. Число используемых в настоящее время электрохимических систем более 10, а конструкторских типоразмеров – более 1000.

Выделяют: гальванические элементы (ГЭ) и батареи из ГЭ, с неподвижными компонентами в которых протекают необратимые (или частично обратимые) токообразующие реакции.

Аккумуляторы и соответствующие батареи – ХИТ, предназначенные для многократного разряда. Они работают в циклическом режиме «заряд-разряд», т.к. пропуская ток в обратном направлении можно восстановить запас необходимых химических веществ. У современных аккумуляторов количество циклов лежит в пределах от 500 до 2000. Принципиальная схема кислотного аккумулятора приведена ниже на рисунке

В электролит слабо концентрированную серную кислоту H₂SO₄ погружены анод из пористого свинца Pb, служащий топливом и отдающий электроны, и катод набор сеток, заполненных перекисью свинца PbO₂, на котором происходит восстановление (поглощение) электронов. Реакции, протекающие в электрохимическом элементе в режиме разряда при подключении на внешнюю нагрузку, имеют вид:

на аноде Pb – 2e + SO₄^2- = PbSO₄ ,

на катоде PbO₂ + 2e + 4H⁺ + SO₄^2- = PbSO₄ + 2H₂O.

Топливные элементы или ячейки (ТЭ или ТЯ) – ХИТ с взаимно перемещающимися компонентами реакций (происходит удаление продуктов реакции или перемещение исходных компонентов). Сегодня существует несколько различных видов ТЯ, однако все они имеют в общих чертах одинаковую схему работы. Слои материалов с различными электрохимическими свойствами размещаются последовательно, формируя единую гальваническую ячейку. В середине размещена мембрана, которую могут пересекать только заряженные молекулы ионы. Электроды, сквозь которые может проходить газ, покрыты катализатором и закреплены на этой мембране, образуя дополнительные слои с обеих сторон. Эти электроды в свою очередь соединяются с устройством, которое используется для отвода электроэнергии, создавая полную электрическую цепь. На рисунке представлена схема ТЭ на водороде. ТЯ могут превратить 40-65 % энергии водорода в электроэнергию. Когенерация тепловой и электрической энергии повышает энергоэффективность ТЯ до 90%.

С точки зрения науки проблемы того, чтобы быстро запасать (или использовать) много энергии, причем дешево и безопасно, в той или иной мере решены. Так аккумуляторы на наночастицах LiFePO₄ можно заряжать за 10 минут, а если модифицировать покрытие — и за 1—3 минуты. Материал очень устойчивый, и электромобиль на нем сможет работать до 10 лет. Уже сейчас реализован цикл зарядки-разрядки в течение 5—10 минут — и это на совершенно безопасном материале. Сейчас слово за широким технологическим внедрением этих разработок, которые позволят электромобилям стать основным видом транспорта в городах в ближайшем будущем.

Дата добавления: 2014-01-14