Топливные элементы (ТЭ)

ТЭ относятся к числу химических источников электрической энергии. В качестве активный веществ, вступающих в химическую реакцию в ТЭ, используется твердое, жидкое или газообразное топливо (древесный уголь, нефтепродукты, спирты, водород и т.д.) схематическое устройство ТЭ рассмотрим на основе водородно-кислотного ТЭ.

Данный ТЭ состоит из положительного 1 и отрицательного 3 электродов, погруженных в щелочной электролит 2. Активным материалом положительного электрода является кислород O₂, а отрицательного – водород Н₂. Данные активные вещества хранятся отдельно от топливного элемента в особых хранилищах и поступают к электродам лишь во время отдачи им электрической энергии. Электроды ТЭ в реакциях активно не участвуют и в процессе работы не разрушаются, поэтому ТЭ обеспечивают непосредственное преобразование химической энергии в электрическую очень длительное время, пока идет активная подача веществ к его электродам. Расчеты показывают, что топливные элементы могут иметь очень высокие удельные характеристики, мощность и КПД.

Активные вещества подаются к электродам через пористые трубки. Водород вступает в соединение с ионами гидроксила электролита. В результате образуется вода и свободные электроны:

.

С водородного электролита свободные электроны перемещаются к кислородному электроду через нагрузку r. В пористом положительном электроде 1 кислород вступает в реакцию с водой электролита, образуя ионы гидроксильного остатка:

.

В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток. Расход воды Н₂О в элементы восполняет водород, а расход гидроксила ОН^- восполняет cкислород.

Рассмотренный химический процесс противоположен процессу электролитического разложения воды, где при пропускании тока через электролит вновь образуется кислород и водород. Этим объясняется высокий уровень КПД при выработке электрической энергии.

Аккумуляторы

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока, который обладает способностью накапливать (аккумулировать) электрическую энергию и отдавать ее по мере надобности. При заряде аккумуляторы подключаются к постороннему источнику постоянного тока. Потребляемая им энергия преобразуется в химическую энергию, которая может длительно сохраняться и легко переходить в электрическую энергию при разряде аккумулятора. При этом израсходованные активные вещества аккумулятора легко восстанавливаются при последующем заряде.

Для питания устройств автоматики, телемеханики и связи (АТС) на ж.д. транспорте получили распространение свинцовые и щелочные (железно-никелевые, кадмиево-никелевые) аккумуляторы. В стационарных электропитающих установках используются свинцовые аккумуляторы, имеющие высокий КПД и незначительное снижения напряжения при разряде. Но они обладают высокой механической прочностью, поэтому чаще всего применяют в качестве временных источников энергии или в мобильных системах АТС.

Принцип действия свинцового аккумулятора. Простейший свинцовый аккумулятор имеет вид:

Как видно, аккумулятор состоит из двух свинцовый пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты. Положительная пластина покрывается перекисью свинца PbO₂ – вещество темно-коричневого цвета, а отрицательная пластина состоит из губчатого свинца Pb, который имеет светло-серый цвет. Перекись свинца и губчатый свинец являются активными веществами кислотного аккумулятора. Молекулы серной кислоты под действием растворителя распадаются на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка SO₄. Если к зажимам аккумулятора подсоединить нагрузку r, то аккумулятор начинает разряжаться. Положительные ионы водорода перемещаются к пластине с перекисью свинца и разряжаются на ней. Образующиеся при этом нейтральные молекулы водорода вступают в реакцию с активной массой перекиси свинца. Реакция на положительной пластине имеет вид:

.

Отрицательные ионы кислотного остатка SO₄ перемещаются к свинцовой пластине и, отдавая ей два электрона, вступают во взаимодействие с губчатым свинцом. Химическая реакция при этом имеет вид:

.

Таким образом, при разряде аккумулятора на положительной и отрицательной пластинах образуется серно-кислый свинец PbSO₄. При образовании PbSO₄ расходуется часть находящейся в электролите кислоты. Поэтому разряд аккумулятора сопровождается уменьшением плотности электролита. При глубоком разряде PbSO₄ превращается в твердую крупно-кристаллическую соль, которая плохо восстанавливается в процессе заряда. Поэтому необходимо аккумуляторы разряжать до определенной плотности электролита. Для стационарных аккумуляторов плотность электролита при разряде должна составлять 1,17÷1,15 г/см³.

Заряд аккумуляторной батареи осуществляется постоянным током. При заряде аккумуляторной батареи постоянный ток от выпрямителя поступает на положительную пластину, и далее через электролит на отрицательную. На положительную пластину будут поступать отрицательные ионы SO^2-, а к отрицательной пластине будут стремиться положительные ионы водорода 2Н⁺. После разряда ионы нейтрализуются и вступают в химическую реакцию с активной массой. Реакция на положительной пластине описывается уравнением:

PbSO₄ + SO₄ +2H₂O → PbO₂ + 2H₂SO₄;

реакция на отрицательной пластине описывается уравнением:

PbSO₄ + H₂ → Pb + H₂SO₄.

Масса положительной и отрицательной пластин восстанавливается, а плотность электролита увеличивается. Стационарные свинцовые аккумуляторы заряжаются до плотности 1,2 – 1,21 г/см³. После этого предела зарядный ток не восстанавливает активную массу на пластинах, а разлагает воду электролита на Н₂ и О₂, который образует взрывоопасную смесь – «гремучий газ».

ЭДС и напряжение свинцового аккумулятора

Активные вещества положительных и отрицательных пластин обладают определенными потенциалами относительно электролита. Разность этих потенциалов определяет ЭДС аккумулятора, которая не зависит от количества активного вещества в пластинах. ЭДС аккумулятора зависит в основном от плотности электролита, эта зависимость определяется эмпирической формулой:

E = 0,85 + d,

где d – плотность электролита в порах активной массы пластин. Напряжение аккумулятора при заряде больше, чем величина ЭДС, на величину внутреннего падения напряжения:

U_З = E + I_З ∙ r₀,

где r₀ – внутреннее сопротивление аккумулятора, а при разряде соответственно:

U_Р = E – I_Р ∙ r₀.

У разряженного свинцового аккумулятора плотность составляет d = 1,17, тогда Е = 0,85 + 1,17 = 2,02 В. У заряженного аккумулятора d = 1,21, тогда Е = 0,85 + 1,21 = 2,06 В => ЭДС разряженного аккумулятора при отключенной нагрузке мало отличается от ЭДС заряженного аккумулятора. При заряде аккумулятора, его напряжение заряда составляет 2,3 – 2,8 В. Напряжение разряда составляет примерно 1,8 В.

Емкость свинцового аккумулятора

Номинальная емкость определяется при десятичасовом разряде до напряжения 1,8 В, при температуре электролита 25°С. Номинальная емкость свинцового аккумулятора составляет 36 А/ч. Этой емкости соответствует ток разряда I_Р = Q/10 = 3,6 А.

Если изменить ток разряда I_Р и температуру электролита, то изменится и его емкость. Повышение температуры окружающей среды способствует повышению емкости, но при температуре 40°С происходит коробление положительных пластин и резко увеличивается саморазряд аккумулятора, поэтому для нормальной эксплуатации аккумулятора должна поддерживаться температура + 35°С – 15°С.

Номинальная емкость при температуре 25°С и десятичасовом разряде определяется формулой:

,

где P_t – коэффициент использования активной массы аккумулятора, %;

Т – фактическая температура электролита при разряде.

Типы кислотно – свинцовых аккумуляторов

Стационарные аккумуляторы маркируются буквами С, СК, СЗ, СЗЭ, СН и другими:

С – стационарный аккумулятор;

К – аккумулятор, допускающий кратковременный разряд;

З – аккумулятор в закрытом исполнении;

Э – эбонитовый сосуд;

Н – аккумулятор с намазанными пластинами.

Число, которое ставится после буквенного обозначения, означает номер аккумулятора:

С-1 – 36 А/ч;

С-4 – 4 х 36 А/ч;

и другие...

Типы щелочных аккумуляторов

Маркировка Н–Ж (Никель – Железо), Н–К (Никель – Кадмий), С – Ц (Серебро – Цинк). Электродвижущая сила (ЭДС) Н–Ж аккумуляторов составляет: EЗ = 1,5 В; EР = 1,3 В. ЭДС Н–К аккумуляторов составляет: EЗ = 1,4 В; EР = 1,27 В. Среднее напряжение заряда составляет UЗ = 1,8 В; разряда UР = 1 В.

Дата добавления: 2015-11-04