Определения и классификация ХИТ - химических источников тока

Справочная информация > Химические источники тока (основные понятия) >

Определения и классификация ХИТ

Определения. Химический источник тока (ХИТ) — устройство, в котором химическая энергия активных веществ (окислителя и восстановителя) непосредственно превращается в электрическую энергию. Химический источник тока состоит из одной или нескольких ячеек — гальванических элементов. Основные составные части гальванического элемента — это два электрода, разделенных электролитом. Электроды изготовлены из проводников первого рода, т. е. проводников с электронной проводимостью. Электролитом служат проводники второго рода — жидкие (растворы, расплавы) или твердые вещества, обладающие ионной проводимостью. На границе между проводниками первого и второго рода появляется разность потенциалов и протекают электродные (токообразующие) реакции. Электродные реакции — это всегда процессы окисления или восстановления. Электрод, на котором происходит окисление восстановителей, называется анодом, электрод, на котором происходит восстановление окислителей, называется катодом. Восстановители — это вещества, отдающие электроны, а окислители — это вещества, принимающие электроны. Эти названия связаны только с направлением окислительно-восстановительного процесса, а не с зарядом электрода. Катод может иметь как положительный, так и отрицательный заряд.

На электродах ХИТ устанавливается электродный потенциал Е, который характеризует окислительную или восстановительную способность. Чем более сильный восстановитель участвует в электродной реакции, тем отрицательнее потенциал этого электрода. Чем бо-лее сильный окислитель участвует в реакции на другом электроде, тем положительнее потенциал этого электрода. Разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами ХИТ в отсутствие тока называют напряжением разомкнутой цепи (НРЦ):

НРЦ всегда положительно. Значение НРЦ связано с термодинамической величиной — электродвижущей силой (ЭДС). В определенных условиях (когда электродные процессы термодинамически обратимы) НРЦ совпадает с ЭДС, однако в большинстве случаев НРЦ бывает меньше ЭДС.
Электродные реакции протекают обязательно с участием электронов, причем в анодном процессе (восстановление) электроны переносятся от реагирующих частиц на электрод и направляются во внешнюю цепь, а в катодном процессе (окисление) электроны из внешней цепи поступают к реагирующим частицам. Например, при разряде серебряно-цинкового аккумулятора на отрицательном электроде происходит окисление цинка:

а на положительном электроде происходит восстановление оксида серебра:

Суммарно реакции на разноименных электродах составляют токообразующую реакцию:

Химическая энергия именно токообразующей реакции превращается в электрическую энергию.

Электродные реакции в ХИТ всегда являются сопряженными: катодный и анодный процессы всегда протекают с равными скоростями, т. е. количество электронов, высвобождающееся в единицу времени в анодном процессе, всегда равно количеству электронов, затрачиваемому в единицу времени в катодном процессе.

Непосредственное участие в токообразующей реакции в гальваническом элементе принимают активные вещества (реагенты), которые могут входить в состав анода, катода, электролита, а иногда хранятся вне элемента и подаются в него по мере израсходования. Совокупность окислителя, восстановителя и электролита, на основе которых создан ХИТ, называется электрохимической системой.

Электрохимическая система записывается следующим образом:

Вертикальная черта обозначает границу фаз с разным типом проводимости (границу проводников первого и второго рода). Например, электрохимическая система щелочного марганцево-цинкового элемента, в котором окислителем является диоксид марганца, восстановителем — цинк, а электролитом — водный раствор гидроксида калия, записывается так:

Если в ХИТ в качестве электролита используются два раствора, контактирующие друг с другом, например, через пористую диафрагму, то границу раздела между ними обозначают вертикальной пунктирной линией. Так, электрохимическая система медно-цинкового элемента Даниэля записывается следующим образом:

Если реагенты — жидкие или газообразные вещества, то токообразующие реакции протекают на поверхности металлических, углеродных или полупроводниковых электродов-токоотводов, которые сами не принимают участия в реакции. Такие нерасходуемые электроды также записываются в составе электрохимической системы, поскольку они оказывают влияние на скорость основной токообразующей реакции. Так, электрохимическая система кислородно-водородного элемента со щелочным электролитом записывается как

Типы ХИТ. Химические источники тока подразделяются на первичные, вторичные и топливные элементы.

Первичные ХИТ предназначены для одноразового использования. Такие ХИТ содержат определенное количество активных веществ, после их израсходования первичные ХИТ теряют работоспособность. Процесс генерации энергии в ХИТ называется разрядом. ХИТ работают в режиме непрерывного или прерывистого разряда. ХИТ, состоящий из одной ячейки, называют гальваническим элементом. Если ХИТ состоит из двух и более элементов, соединенных электрически последовательно или параллельно, то он называется гальванической батареей. Обычно свежеизготовленный или хранившийся на складе ХИТ сразу готов к работе. Однако существует определенная категория резервных ХИТ, которые хранятся в неактивированном состоянии. В таких ХИТ электролит либо хранится в жидком виде (в виде раствора) в отдельных емкостях (ампулах) и заливается в элементы непосредственно перед началом эксплуатации, либо электролит является твердым и не проводит ток, а активация элемента состоит в его разогреве до температуры, превышающей температуру плавления электролита; после расплавления электролит приобретает высокую ионную проводимость и становится готовым к работе. Резервные ХИТ способны, следовательно, к длительному хранению.

Вторичные ХИТ или аккумуляторы предназначены для многократного использования. После разряда их можно зарядить, пропуская электрический ток в обратном направлении. При разряде аккумулятор работает как первичный ХИТ, при этом происходит преобразование химической энергии исходных активных веществ в электрическую. При заряде аккумулятор работает как электролизер; при этом электрическая энергия превращается в химическую энергию, а соответственно, продукты разряда превращаются в исходные активные вещества. Большинство аккумуляторов допускают многократный заряд, т. е. допускают множество (сотни и тысячи) циклов заряда-разряда.
Топливным элементом называется источник тока, в котором нет активных веществ; активные вещества (топливо и окислитель) хранятся отдельно, вне топливного элемента, и подаются в него пропорционально току разряда. Установка, состоящая из батареи топливных элементов и обслуживающих систем (систем подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции, поддержания температурного режима и т. п.), называется электрохимическим генератором (ЭХГ). В свою очередь, электрохимический генератор может входить в состав электрохимической энергоустановки (ЭЭУ), которая кроме ЭХГ содержит также системы хранения и подготовки топлива и окислителя, системы преобразования напряжения и тока, системы утилизации теплоты и т. п. Электрохимическая установка большой мощности представляет собой электрохимическую электростанцию (ЭЭС).

Имеются также промежуточные группы ХИТ: комбинированные и возобновляемые. В комбинированных ХИТ один электрод — расходуемый, такой же, как в первичных элементах, а второй электрод — нерасходуемый, такой же, как в топливных элементах. Срок службы такого ХИТ определяется, естественно, работой первого электрода. В возобновляемых элементах после расхода одного или обоих реагентов их механически заменяют на новые.

В электрических схемах ХИТ изображаются так, как показано на рис. 1.1.1.