Гальванические элементы

«АрзамасскийГосударственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»

Курсоваяработа
по химии

Тема:Гальванические элементы

Выполнил: студент 5 курса
ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.
Принял: Киндеров А.П.

2008г.

План
 
Введение
I. История создания химических источников тока
II. Принцип действия
III. Классификация, устройство и принципдействия химических источников тока
1. Гальванический элемент
2. Электрические аккумуляторы
А) Щелочные аккумуляторы
3. Топливный элемент
А) Принцип действия
Б) Принцип разделения потоков топливаи горючего
В) Пример водородно-кислородноготопливного элемента
Г) История исследований в России
Д) Применение топливных элементов
Е) Проблемы топливных элементов
IV. Эксплуатацияэлементов и батарей
V. Регенерация гальваническихэлементов и батарей
VI. Особенности некоторых видовгальванических элементов и их краткие характеристики
Заключение
Список использованной литературы

Введение
Химические источники токав течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редкообращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для негоэто батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманныефонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемаямощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основномкислотные, а также никель — железные и никель — кадмиевые. Они применяются в портативныхэлектронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствахсвязи, аварийном освещении и пр.
В силу ряда обстоятельствхимические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными.Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициентвыхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях,в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, натранспорте и т.д.
В последние годы такиеаккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханическихсистемах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийногопитания электроэнергией жизненно – важных систем.
Цели и задачи. В данной работе мне необходиморазобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историейих создания, особенностями классификации и устройством различных видовгальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химическихисточников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.

I.История создания химическихисточников тока/>
/> 
Химические источники тока (аббр. ХИТ) — устройства, в которыхэнергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается вэлектрическую энергию.
История создания
Вольтов столб
Первый химическийисточник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году.Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой имедной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею изэтих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Этоизобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях.Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтовстолб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 годуанглийский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместивцинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция сталаназываться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэизобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей деньиспользуется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявшийиз цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония илидругой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV)MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сихпор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году вНью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманныйэлектрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает кмассовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

II. Принцип действия
Устройство «багдадскихбатареек» (200 г. до н. э.).
Основу химическихисточников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод,содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродамиустанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующаясвободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химическихисточников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепипространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется,образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешнейцепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.
В современных химическихисточниках тока используются:
в качестве восстановителя(на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (накатоде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV)MnO2 и другие;
в качестве электролита —растворы щелочей, кислот или солей.

III. Классификация, устройство и принципдействия
По возможности илиневозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
 
1. Гальваническийэлемент
Гальванический элемент -химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани.Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двухметаллов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепиэлектрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материалаэлектродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-занеобратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.
Гальванические элементыявляются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты(окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальваническогоэлемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элементхарактеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой вовнешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.
ЭДС определяется природойпротекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальваническогоэлемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерьсопротивления:
U = Eэ – I(r1–r2) –ΔE,
где Еэ – ЭДС элемента; I– сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I иII рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальваническогоэлемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода).Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой поформуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростомсопротивления системы.
В процессе работыгальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенноснижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличениемконцентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах(вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение приразряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения напрактике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, котороегальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке).Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов истепенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температурыработы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкостьэлемента снижаются.
Энергия гальваническогоэлемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U.Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой ивысокой степенью превращения реагентов.
Сохраняемостью называютпродолжительность срока хранения элемента, в течение которого егохарактеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения иэксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.
Состав гальваническогоэлемента:восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило,служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганцаMnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS икислород О2.
Самым массовым в мире остается производствомарганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питаниярадиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п.Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке
/>
 
Токообразующимиреакциями в этом элементе являются:
— на аноде (–): Zn– 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковойоболочки корпуса элемента);
— на катоде (+):2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическомпространстве также идут процессы:
— у анода Zn2+ +2NH3 →[Zn(NH3)2]2+;
— у катода Mn2O3 +H2O → [Mn2O2(OH)2] или 2[MnOOH].
В молекулярном видехимическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарнойреакцией:
Zn + 2MnO2 +2NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2[MnOOH].
Схема гальваническогоэлемента:
(–)Zn|Zn(NH3)2]2+||[MnOOH]|MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляетЕ= 1,25 ÷ 1,50В.
Гальванические элементы сподобным составом реагентов в щелочном электролите (КОН) имеют лучшие выходныехарактеристики, но они неприменимы в портативных устройствах в силуэкологической опасности. Еще более выгодными характеристиками обладаютсеребряно-цинковые элементы Ag-Zn, но они чрезвычайно дороги, а значит,экономически неэффективны. В настоящее время известно более 40 различных типовпортативных гальванических элементов, называемых в быту «сухими батарейками».
2. Электрическиеаккумуляторы
Электрическиеаккумуляторы (вторичные ХИТ)— перезаряжаемые гальванические элементы, которые спомощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить.
Аккумуляторы – этоустройства, в которых под воздействием внешнего источника тока в системенакапливается (аккумулируется) химическая энергия (процесс зарядкиаккумулятора), а затем при работе устройства (разрядка) химическая энергияснова превращается в электрическую. Таким образом, при зарядке аккумуляторработает как электролизер, а при разрядке – как гальванический элемент.
В упрощенном видеаккумулятор представляет собой два электрода (анод и катод) и ионный проводникмежду ними – электролит. На аноде как при разряде, так и при заряде протекаютре6акции окисления, а на катоде – реакции восстановления.
До последнего временипо-прежнему наиболее распространенными в России, да и в Приднестровье, остаютсякислотные свинцовые и щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы.

/>
Электроды в немпредставляют собой свинцовые решетки, из которых одна заполняется в порахпорошком оксида свинца IV – PbO2. Электроды соединены с электролитом черезпористый сепаратор. Всеь аккумулятор помещается в бак из эбонита илиполипропилена.
При работе такогоустройства в нем происходят следующие электродные процессы:
А). Разрядка или работааккумулятора как источника электрической энергии.
На аноде: (–) Pb –2ē → Pb2+;
на катоде: (+)PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.
Образующиеся наэлектродах катионы свинца взаимодействуют с анионами электролита с выделениембелого осадка сульфата свинца
Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.
Суммарная токообразующаяреакция процесса разрядки аккумулятора:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 =2PbSO4↓ + 2H2O,

а схема работающегоаккумулятора как гальванического элемента имеет вид (–) Pb|PbSO4||PbO2 (+).
Напряжение на клеммахработающего аккумулятора достигает величины 2,0÷2,5В. В процессеэксплуатации устройства электролит расходуется, а в системе накапливаетсяосадок. Когда концентрация активных ионов водорода [Н+] становится критическойдля реакции на катоде, аккумулятор прекращает свою работу.
Б). Зарядка или восстановлениехимического потенциала аккумулятора для последующего его преобразования вэлектрическую энергию. Для этого аккумулятор подсоединяют к внешнему источникутока таким образом, что к клемме «анод» подается отрицательный полюс, а кклемме «катод» — положительный. В этом случае на электродах под действиемвнешнего напряжения возникают обратные процессы, восстанавливающие их допервоначального состояния.
Металлический свинецвосстанавливает поверхность электрода (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;
Образующийся оксид свинцаIV заполняет поры свинцовой решетки (+): PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2+ 4H+ + SO42.
Суммарнаявосстановительная реакция: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +2H2SO4.
Определить моментокончания процесса зарядки аккумулятора можно по появлению пузырьков газа надего клеммами («кипение»). Это связано с возникновением побочных процессоввосстановления катионов водорода и окисления воды с ростом напряжения привосстановлении электролита:
2Н+ + 2ē → Н2↑;2Н2О – 4ē → О2↑ + 2Н2↑.
Коэффициент полезногодействия аккумулятора достигает 80% и рабочее напряжение длительное времясохраняет свое значение.
ЭДС аккумулятора можетбыть рассчитана по уравнению:

RT α4(H+)·α2(SO42–)
EЭ = EЭ0 + –––– ℓn–––––––––––––– (твердые фазы в Сравн. не
2F              α2(H2O)                        учитываются).
Надо заметить, что ваккумуляторе нельзя использовать концентрированную серную кислоту(ω(H2SO4) > 30%), т.к. при этом уменьшается ее электрическаяпроводимость и увеличивается растворимость металлического свинца. Свинцовыеаккумуляторы широко используются в автомобильном транспорте всех типов, нателефонных и электрических станциях. Однако из-за высокой токсичности свинца иего продуктов, свинцовые аккумуляторы требуют герметичной упаковки и полнойавтоматизации процессов их эксплуатации.
А) В щелочныхаккумуляторах положительныйэлектрод изготавливается из никелевой решетки, пропитанной гелеобразным гидрооксидомникеля II Ni(OH)2; а отрицательный – из кадмия или железа. Ионным проводникомслужит 20%-ый раствор гидрооксида калия КОН. Суммарные токообразующие игенерирующие реакции в таких аккумуляторах имеют вид:
разряд
2NiOOH + Cd + 2H2O ◄======►2Ni(OH)2+ Cd(OH)2; ЕЭ0 = 1,45В.
заряд
разряд
2NiOOH + Fe + 2H2O ◄======►2Ni(OH)2+ Fe(OH)2; ЕЭ0 = 1,48В.
заряд
К достоинствамэтих аккумуляторов относят большой срок их службы (до 10 лет) и высокуюмеханическую прочность, а к недостаткам – невысокие КПД и рабочее напряжение.Щелочные аккумуляторы используются для питания электрокар, погрузчиков,рудничных электровозов, аппаратуры связи и электронной аппаратуры,радиоприемников. Вспомним также, что кадмий является высокотоксичным металлом,что требует соблюдения правил безопасности при утилизации отработанныхустройств.
В последние годы активноразрабатываются аккумуляторы с литиевым отрицательным электродом, неводнымэлектролитом и положительным электродом, состоящим из оксидов V2O3; NiO; CoO;MnO2. Они используются в электронной слаботоковой аппаратуре.
3. Топливные элементы
Топливные элементы(электрохимические генераторы)— устройства, подобные гальваническому элементу,но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакцииподаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет емуфункционировать непрерывно.
Следует заметить, чтоделение элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степениусловное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочныебатарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.
По типу используемогоэлектролита химические источники тока делятся на кислотные (напримерсвинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные(например ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор) и солевые(например, марганцево — магниевый элемент, цинк — хлорный аккумулятор).
 
А) Принцип действия
Если окислитель ивосстановитель хранятся вне гальванического элемента и в процессе работынепрерывно подаются к инертным электродам (графитовым стержням, не участвующимв токообразующих реакциях, а являющихся лишь переносчиками электронов), тотакой генератор может работать длительное время с постоянным значениемвырабатываемого напряжения. В топливных элементах химическая энергиявосстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых кэлектродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Удельнаяэнергия топливного элемента (количество вырабатываемого электричества на 1 мольколичества химического вещества) значительно выше, чем у гальваническогоэлемента.
В качестве топлива(восстановителя) в элементах используются жидкие или газообразные водород Н2,метанол СН3ОН, метан СН4, а в качестве окислителя – кислород О2 из воздуха.Электролитом служит раствор кислоты или щелочи. Устройство топливного элементасхематично представлено на рисунке:
/>
Рисунок: Схемаустройства работающего топливного элемента.
Если электролитом втопливном элементе является кислота, то в системе будут проходить следующиеокислительные и восстановительные процессы:
на аноде (–): Н2 –2ē → 2Н+;
на катоде (+): О2+ 4Н+ + 4ē → 2Н2О, следовательно,
суммарная токообразующаяреакция 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Схема работающегокислородно-водородного кислотного топливного элемента имеет вид: (–)(C)Н2|2H+||2H2O|O2(C) (+).
Если же электролитом вэлементе является щелочь, то процессы несколько изменяются:
на аноде (–): 2Н2+ 4ОН– – 4ē → 4Н2О;
на катоде (+): О2+ 2Н2О + 4ē → 4ОН–, но суммарная токообразующая реакция остаетсяпрежней 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Схема работающегокислородно-водородного щелочного топливного элемента имеет вид: (–)(С)Н2|2H2O||4OH–|O2(C) (+).
В результате протеканияуказанных реакций в топливном кислородно-водородном элементе генерируетсяпостоянный ток 1,23÷1,50В.
Для уменьшенияэлектрического сопротивления в системе применяются реагенты с высокойэлектрической проводимостью, либо жидкие электролиты меняются на твердые илирасплавы.
В отличие отгальванических, топливные элементы не работают без вспомогательных устройств,обеспечивающих бесперебойный подвод реагентов и отвод продуктов электролиза.Для увеличения напряжения U и силы тока I в генераторе топливные элементысоединяют в батареи. В результате получается сложная система, включающаядополнительные устройства подвода и отвода реакционной смеси, поддержания ирегулирования температуры, преобразователи тока и напряжения. Ее называютэлектрохимической энергоустановкой (ЭХЭ).ЭХЭ имеют КПД в 1,5-2,0 раза выше посравнению с тепловыми машинами, при этом являются экологически безупречными.Именно поэтому (Н2-О2) – ЭХЭ применяют на космических кораблях, да еще иучитывая тот факт, что продукт токообразующей реакции – Н2О – служит источникомпитьевой воды для космонавтов. В России работают ЭХЭ и электростанции мощностьюот 40кВт до 11мВт, в которых используется природное топливо (залежи природногогаза и отходы нефтепереработки).

Б) Принцип разделенияпотоков топлива и горючего
Обычно внизкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода икислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха.В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержаттвердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны бытьзаменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическуюреакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливномэлементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекатьтак долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самогоэлемента.
 
В) Примерводородно-кислородного топливного элемента
с протоннообменноймембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонно-проводящая полимернаямембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычнопредставляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором —платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярныйводород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану ккатоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускаетэлектроны.
На катализаторе катода,молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешнихкоммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая являетсяединственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Топливные элементы немогут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторныебатареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно отэлектрической системы электростанции, использующие непостоянные источникиэнергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями дляхранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии.Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, иобратно в электрическую энергию) 30-40 %.
Мембрана обеспечивает проводимость протонов,но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион, полиацетилен и др.) иликерамической (оксидной и др.).
Типы топливныхэлементов
Метанольный топливныйэлемент в Mercedes Benz Necar 2
Твердооксидный топливныйэлемент (англ. Solid-oxide fuel cells — SOFC);
Топливный элемент спротонообменной мембраной (англ. Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC);
Обратимый топливныйэлемент (англ. Reversible Fuel Cell);
Прямой метанольныйтопливный элемент (англ. Direct-methanol fuel cell — DMFC);
Расплавной карбонатныйтопливный элемент (англ. Molten-carbonate fuel cells — MCFC);
Фосфорнокислый топливный элемент (англ. Phosphoric-acid fuel cells — PAFC);
Щелочной топливный элемент (англ. Alkaline fuel cells — AFC).
 
Г) Историяисследований в России
В СССР первые публикациио топливных элементах появились в 1941 году.
Первые исследованияначались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементыдля советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.
Во время работ надпрограммой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» былиустановлены 10 кВт. топливные элементы.
В 70-80 годы «Квант»совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементыдля автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982году.
В 1989 году «Институтвысокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установкумощностью 1 кВт.
В 1999 году АвтоВАЗ началработы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 былосоздано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобилярасполагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом вбагажном отделении, то есть была применена классическая схема расположениясилового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородногоавтомобиля руководил к.т. н. Мирзоев Г. К.
В 2003 году былоподписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академиейнаук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетикии топливных элементов. Это привело к учреждению в 2005 году Национальнойинновационной компании «Новые энергетические проекты», которая в 2006 годупроизвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимернымэлектролитом мощностью 1 кВт.
Над созданием образцовэлектростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерныецентры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активноведется, появятся, видимо, в 2010—2015 годах.
 
Д) Применениетопливных элементов
Стационарные приложения:производство электрической энергии (на электрических станциях), аварийныеисточники энергии, автономное электроснабжение,
Транспорт: автомобильныетопливные элементы Honda, см Honda FCX, электромобили, автотранспорт, морскойтранспорт, железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника, вспомогательныйтранспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т.д.)
Бортовое питание:авиация, космос, подводные лодки, морской транспорт,
Мобильные устройства:портативная электроника, питание сотовых телефонов, зарядные устройства дляармии.
Преимуществаводородных топливных элементов
Топливные элементыобладают рядом ценных качеств.
Это: высокий КПД,экологичность, компактные размеры
Топливные элементы легчеи занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливныеэлементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точкизрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военныхприложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторныхбатарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементовпозволит сократить затраты на логистику, снизить вес, повысить время действияприборов и оборудования.
 
Е) Проблемы топливныхэлементов
Большинство элементов приработе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложныхтехнических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а такжеорганизации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемоймощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочнымипродуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температурапроцесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличиваетКПД энергетической установки.
Также существует проблемаполучения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточночистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых,достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечногопотребителя.
Существует множество способовпроизводства водорода, но в настоящее время около 50% водорода, производимогово всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы покадорогостоящи… Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимостьводорода также растёт, т.к. он является вторичным энергоносителем. Носебестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянноснижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя ценаэлектроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0,09 за кВт., тогда каксебестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04- $0,07(см. статью Ветроэнергетика, или AWEA). В Японии киловатт электроэнергии стоитоколо $0,2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённойфотоэлектрическими элементами. Т.е. с ростом цен на энергоносители производствоводорода электролизом воды становится более конкурентоспособным.
К сожалению, в водороде,произведённом из природного газа, будет присутствовать СО, отравляющийкатализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повыситьтемпературу топливного элемента. Уже при температуре 160°С в топливе можетприсутствовать 1%СО.
Цена некоторых водородныхтопливных элементов пока остаётся высокой. Но в будущем цена будет снижатьсяпри организации массового производства топливных элементов.
Внедрению топливныхэлементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры и болеевысокая себестоимость энергии. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строитьводородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта?
Появились и новыенакопители энергии – электрохимические конденсаторы. Они состоят из двухэлектродов с высокоразвитой поверхностью и проводника II рода между ними.
Виды химическихисточников тока
Тип    Катод ЭлектролитАнод Напряжение, В
Марганцево-цинковыйэлемент MnO2 KOH   Zn    1.56
Марганцево-оловянныйэлемент   MnO2 KOH Sn   1.65
Марганцево-магниевыйэлемент   MnO2 MgBr        Mg   2.00
Свинцово-цинковый элемент                  PbO2 H2SO4      Zn    2.55
Свинцово-кадмиевыйэлемент       PbO2 H2SO4      Cd    2.42
Свинцово-хлорный элемент          PbO2 HClO4       Pb    1.92
Ртутно-цинковый элемент              HgO2                   KOH Zn    1.36
Ртутно-кадмиевый элемент            HgO2                   KOH Cd    1.92
Окисно-ртутно-оловянный
Элемент                                           HgO2                   KOH Sn 1.30
Хром-цинковый элемент      K2Cr2O7 H2SO4 Zn   1.8—1.9
Аккумуляторы
Лантан-фторидныйаккумулятор
Литий-ионный аккумулятор
Литий-полимерныйаккумулятор
Марганцево-оловянныйэлемент
Никель-цинковыйаккумулятор
Никель-кадмиевыйаккумулятор
Никель-металл-гидридныйаккумулятор
Свинцово-кислотныйаккумулятор
Свинцово-оловянныйаккумулятор
Серебряно-цинковыйаккумулятор
Серебряно-кадмиевыйаккумулятор
железо-никелевыйаккумулятор
железо-воздушныйаккумулятор
цинк-воздушный аккумулятор
цинк-хлорный аккумулятор
натрий-серный аккумулятор
литий-хлорный аккумулятор
свинцово-водородныйаккумулятор
Цинк-бромный аккумулятор
Натрий-Никель-Хлоридныйаккумулятор
Литий-железо-сульфидныйаккумулятор
Литий-фторный аккумулятор
Топливные элементы
Прямой метанольныйтопливный элемент
Твердооксидный топливныйэлемент
Щелочной топливныйэлемент

IV. Эксплуатация элементов и батарей
Напряжение, отдаваемоебатареей, нужно измерять вольтметром, обязательно подключив к батарее нагрузкус сопротивлением того же порядка, что и будущая реальная нагрузка, например длябатареи фонаря это может быть лампочка от того же фонаря. Снижение напряженияменьше, чем 1 Вольт на элемент, как правило, нужно считать признаком разрядабатареи. Разряжаются элементы по-разному, например, солевые снижают напряжениепостепенно, а литиевые — «держат напряжение» весь срок эксплуатации, а потом почти сразу «садятся».
Смешивать в одной батарееэлементы разных типов, разной степени разряженности, разных производителей идаже разных партий одного и того же производителя не рекомендуется. (Даже еслипитаемый батареей прибор будет действовать, элементы в батарее будутразряжаться по-разному, что в конце концов приведёт к протеканию одного изэлементов и порче прибора и/или остальных элементов). Если же одинаковых элементовнет, то подобное смешивание можно допустить, но только на короткое время и подпостоянным контролем состояния элементов. Однако применение подобной «смеси» вприборах с кратковременным высоким или малым длительным расходом энергии(например, в фотоаппаратах или часах) очень нежелательно.
По мере исчерпанияхимической энергии напряжение и ток падают, элемент перестаёт действовать.Некоторые типы элементов допускают обратимость химической реакции: их можноподзаряжать.
Литиевые элементы заряжать категорически нельзя!Металлический литий очень химически активен, в элементах применяетсялегковоспламеняемый электролит. Возможен взрыв.
Щелочные (алкалиновые)элементы подзаряжаются довольно хорошо, однако производители элементов, как правило,помещают на корпусе предупредительную надпись «не перезаряжать, не нагревать»,иногда даже помещают в корпусе элемента (или батареи) диод, препятствующийперезаряду.
Специально нагреватьвыше, чем «чуть тёплая» действительно бессмысленно, а вот, например, элементытипа AA (щелочные, солевые — хуже), если они не до конца разряжены и неимеют повреждений корпуса (протечек), можно заряжать током 20—50 mA.
Если элемент при этомнагревается, ток заряда нужно уменьшить. Если появляются протечки электролитаили посторонние запахи, элемент лучше выбросить. Заряд нужно проводить впроветриваемом неогнеопасном помещении под постоянным присмотром. Времязаряда — несколько часов. Щелочные элементы можно подзаряжать раз десять,после этого они приходят в негодность (при подключении нагрузки разряжаются занесколько минут).
В безвыходном положенииэлемент можно попробовать смять (камнем, молотком). Наверняка после этого егопридётся выбросить, однако после такой процедуры элемент вполне можетпроработать ещё около десяти-двадцати процентов номинального времени работы.
Далее в работе я опишусамые распространённые гальванические элементы и аккумуляторы.

V. Регенерация гальваническихэлементов и батарей
Идея восстановленияразряженных гальванических элементов подобно аккумуляторным батареям не нова.Восстанавливают элементы с помощью специальных зарядных устройств. Практическиустановлено, что лучше других поддаются регенерации наиболее распространенныестаканчиковые марганцево-цинковые элементы и батареи, такие, как 3336Л(КБС-Л-0,5), 3336Х (КБС-Х-0,7), 373, 336. Хуже восстанавливаются галетныемарганцево-цинковые батареи «Крона ВЦ», БАСГ и другие.
Наилучший способрегенерации химических источников питания — пропускание через нихасимметричного переменного тока, имеющего положительную постояннуюсоставляющую. Простейшим источником асимметричного тока являетсяоднополупериодный выпрямитель на диоде, шунтированном резистором. Выпрямительподключают к вторичной низковольтной (5-10 в) обмотке понижающеготрансформатора, питающегося от сети переменного тока. Однако такое зарядноеустройство имеет невысокий к. п. д.- около 10% и, кроме этого, заряжаемаябатарея при Случайном отключении напряжения, питающего трансформатор, можетразряжаться.
Лучших результатов можнодостигнуть, если применять зарядное устройство, выполненное по схеме,представленной на рис. 1. В этом устройстве вторичная обмотка II питаетдва отдельных выпрямителя на диодах Д1 и Д2, к выходам которых подключены двезаряжаемые батареи Б1 и Б2.
/>
рис. 1

VI. Особенности некоторых видовгальванических элементов и их краткие характеристики
 
Висмутисто — магниевыйэлемент
Анодом служит магний,катодом — оксид висмута, а электролитом — водный раствор бромида магния. Обладаеточень высокой энергоемкостью, и повышенным напряжением (1,97—2,1 Вольт).
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельная энергоемкость:около 103—160 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность:около 205—248 Вт·ч/дм3.
ЭДС: 2,1 Вольта.
Рабочая температура: -20+55 С°.
Диоксисульфатно — ртутныйэлемент
Диоксисульфатно-ртутныйэлемент — это первичный химический источник тока, в котором анодом являетсяцинк, анодом — смесь окиси ртути и сульфата ртути с графитом (5%), аэлектролитом — водный раствор сульфата цинка. Отличается высокой мощностью иэнергоплотностью.
Характеристики
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельнаяэнергоемкость:110-140 Вт/час/кг.
Удельная энергоплотность:623-645 Вт/час/дм3.
ЭДС:1,358Вольта.
Рабочая температура: -14+ 60°С.
Утилизация
Этот элементутилизируется согласно общим правилам утилизации оборудования, препаратов,сплавов и соединений содержащих ртуть.
Литий ионныйаккумулятор (Li-ion)
Тип электрическогоаккумулятора, широко распространённый в современной бытовой электроннойтехнике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в такихустройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты.
Более совершеннаяконструкция литий-ионного аккумулятора называется литий-полимернымаккумулятором.
Первый литий-ионный аккумуляторразработала корпорация Sony в 1991 году.
Характеристики
Энергетическая плотность:110… 160 Вт*ч/кг
Внутреннее сопротивление:150… 250 мОм (для батареи 7,2 В)
Число циклов заряд/разряддо потери ёмкости на 80%: 500-1000
Время быстрого заряда:2-4 часа
Допустимый перезаряд:очень низкий
Саморазряд при комнатнойтемпературе: 10% в месяц
Напряжение в элементе:3,6 В
Ток нагрузки относительноёмкости:
— пиковый: больше 2С
— наиболее приемлемый: до1С
Диапазон рабочихтемператур: -20 — +60 °С
Устройство
В начале в качествеотрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля), в дальнейшемприменяется графит. В качестве положительных пластин применяют сплавы лития скобальтом или марганцем. Литий-кобальтовые пластины служат дольше, а литий-марганцевыезначительно безопасней и обычно имеют встроенные термопредохранитель итермодатчик.
При заряде литий-ионныхаккумуляторов протекают следующие реакции:
на положительныхпластинах: LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
на отрицательныхпластинах: С + xLi+ + xe- → CLix
При разряде протекаютобратные реакции.
Преимущество
Высокая энергетическаяплотность.
Низкий саморазряд.
Отсутствует эффектпамяти.
Простота обслуживания.
Недостатки
Li-ion аккумуляторы могутбыть опасны при разрушении корпуса аккумулятора, и при неаккуратном обращениимогут иметь более короткий жизненный цикл в сравнении с другими типамиаккумуляторов. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионныйаккумулятор. Попытки заряда таких аккумуляторов могут повлечь за собой взрыв. Оптимальныеусловия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 70%-ом заряде от ёмкостиаккумулятора. Кроме того, Li-ion аккумулятор подвержен старению, даже если онне используется: уже через два года аккумулятор теряет большую часть своейёмкости.
Литий полимерныйаккумулятор (Li-polили Li-polymer)
Это более совершеннаяконструкция литий-ионного аккумулятора. Используется в мобильных телефонах,цифровой технике.
Обычные, бытовыелитий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуютспециальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток в 10и даже 20 раз превышающий численное значение емкости (10-20С). Они широкоприменяются в портативном электроинструменте, в радиоуправляемых моделях
Преимущества: низкая цена за единицу емкости;большая плотность энергии на единицу объема и массы; низкий саморазряд; толщинаэлементов до 1 мм; возможность получать очень гибкие формы; экологическибезопасные; незначительный перепад напряжения по мере разряда.
Недостаток: диапазон рабочих температурограничен: элементы плохо работают на холоде и могут взрываться при перегревевыше 70 градусов Цельсия. Требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядныхустройств), представляют повышенную пожароопасность при неправильном обращении.
Магний-м-ДНБ элемент
Это первичный химическийисточник тока, в котором анодом является магний, катодом — мета-Динитробензол,а электролитом — водный раствор перхлората магния.
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:1915Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоемкость:121Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоплотность:137-154Вт/час/дм3.
ЭДС:2Вольта.
Производители
Лидером в производстведанного элемента и усовершенствовании его конструкции является фирма Marathon.
Магний перхлоратныйэлемент
Это первичный резервныйхимический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — двуокисьмарганца в смеси с графитом (до 12%), а электролитом — водный растворперхлората магния.
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:242Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоемкость:118Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоплотность:130-150Вт/час/дм3.
ЭДС:2Вольта.
Марганцево-цинковыйэлемент
Это первичный химическийисточник тока, в котором анодом является цинк Zn, электролитом — водный растворгидроксида калия КОН, катодом — оксид марганца MnO2 (пиролюзит) в смесиграфитом (около 9,5 %).
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельная энергоемкость:67-99 Вт/час/кг
Удельная энергоплотность:122—263 Вт/час/дм³.
ЭДС: 1,51Вольта.
Рабочая температура: −40+55 °C.
Медно — окисныйгальванический элемент
Химический источник токав котором анодом является цинк (реже олово), электролитом гидроксид калия,катодом оксид меди (иногда с добавлением оксида бария для увеличения емкостиили оксида висмута).
История изобретения
История изобретениямедно-окисного гальванического элемента ведет свое начало с 1882 года.
Изобретателем этогоэлемента является Лаланд. Иногда медно-окисный элемент называют так жеэлементом Эдисона и Ведекинда, но именно Лаланду принадлежит честь изобретения.
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость: около 323,2Вт/час/кг
Удельнаяэнергоемкость(Вт/час/кг): около — 84-127Вт/час/кг
Удельнаяэнергоплотность(Вт/час/дм3): около — 550 Вт/час/дм3)
ЭДС: 1,15 Вольта.
Рабочая температура: -30+45 С.
Никель — ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd)
Вторичный химическийисточник тока, электрохимическая система которого устроена следующим образом:анодом является металлический кадмий Cd (в виде порошка), электролитом —гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатовлития и увеличения ёмкости на 21-25%), катод — гидрат окиси никеля NiOOH сграфитовым порошком (около 5-8%).
ЭДС никель-кадмиевогоаккумулятора около 1,45 В, удельная энергия около 45—65 Вт·ч/кг. В зависимостиот конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды), и чистотыприменяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 3500 цикловзаряд-разряд.
Параметры
Теоретическаяэнергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.
Удельная энергоёмкость:45—65 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность:50—150 Вт·ч/дм3.
Удельная мощность: 150Вт/кг.
ЭДС: 1,2—1,35 В.
Саморазряд: 10% в месяц.
Рабочая температура:-15…+40 °С.
В отличие от обычных,одноразовых, элементов питания, NiCd-аккумулятор держит напряжение «допоследнего», а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана,напряжение быстро снижается.
Наиболее благоприятныйрежим для NiCd-аккумулятора — разряд средними токами (фотоаппарат), заряд втечение 14 часов током, равным 0,1 от ёмкости аккумулятора, выраженной вампер-часах.
Аккумуляторы этого типаподвержены эффекту памяти и быстро выходят из строя в случае частой зарядкинеполностью разряженного аккумулятора.
Аккумулятор, разряжаемыйслабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором),быстро теряет ёмкость и выходит из строя.
Хранить NiCd аккумуляторынужно в разряженном виде.
Области применения
Малогабаритныеникель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как заменастандартного гальванического элемента.
Никель-кадмиевыеаккумуляторы применяются на электрокарах, трамваях и троллейбусах (для питанияцепей управления), речных и морских судах.
Производители
Ni-Cd аккумуляторыпроизводят множество фирм, в том числе крупные интернациональные фирмы, такиекак: GP Batteries Int. Ltd., VARTA, KONNOC, METABO, EMM, Advanced BatteryFactory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, ANSMANN и другие.
Достоинства: Безопаснаяутилизация
Никель — металлгидридный аккумулятор (Ni-MH)
Вторичный химическийисточник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод(обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит — гидроксид калия,катод — оксид никеля.
История изобретения
Исследования в областитехнологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в семидесятые годы и былипредприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов.
Однако применяемые в товремя металл-гидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристикине были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH аккумуляторовзастопорился.
Новые металл-гидридные соединения,достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980.
Начиная с концавосьмидесятых годов, NiMH аккумуляторы постоянно совершенствовались, главнымобразом по плотности запасаемой энергии.
Их разработчики отмечали,что для NiMH технологии имеется потенциальная возможность достижения еще болеевысоких плотностей энергии.
Параметры
Теоретическаяэнергоёмкость (Вт·ч/кг): 300 Вт·ч/кг.
Удельная энергоёмкость:около — 60-72 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность(Вт·ч/дм³): около — 150 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,3 В.
Рабочая температура: −40…+55°С.
Аккумулятор, разряжаемыйслабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором),быстро теряет ёмкость и выходит из строя.
Хранение
Аккумуляторы нужнохранить полностью заряженными! При хранении надо регулярно (раз в 1—2 месяца)проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1 В. Если же напряжение упало,необходимо зарядить аккумуляторы заново. Единственный вид аккумуляторов,которые могут храниться разряженными, — это Ni-Cd аккумуляторы.
Областиприменения
High powerNi-MH Battery of Toyota NHW20 Prius, Japan
Nickel-metalhydride battery made by Varta, «Museum Autovision», Altlußheim
Замена стандартногогальванического элемента, электромобили.
Производители
Никель-металл-гидридныеаккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе: GP, Varta, Sanyo,TDK
Ртутно — висмутистоиндиевый элемент
(элемент системы «окисьртути-индий-висмут») — химический источник тока обладающий высокой удельнойэнергоемкостью по массе и объему, обладает стабильным напряжением. Анод — сплаввисмута с индием, электролит гидроксид калия, катод окись ртути с графитом.
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельнаяэнергоемкость(Вт/час/кг): около — 77-109 Вт/час/кг
Удельная энергоплотность(Вт/час/дм3):около — 201—283 Вт/час/дм3.
ЭДС: 1,17 вольта
Применение
Считается очень надёжнымисточником опорного напряжения и применяется в военной технике и в особо важныхслучаях (аппаратура управления атомными реакторами и высокотемпературными агрегатами,применяется в телеметрических системах и других важных областях). В последниегоды эта электрохимическая система значительно улучшена и находит применение вкачестве источника энергии для переносных (мобильных) систем спутниковой связии навигации в военной сфере, и для питания портативных ЭВМ.
Производители
Лидер в областипроизводства ртутно-висмутисто-индиевых элементов и батарей — фирма «CromptonParkinson».
Ртутно — цинковыйэлемент («тип РЦ»)
Гальванический элемент вкотором анодом является цинк, катодом оксид ртути, электролит — растворгидроксида калия.
Достоинства: постоянство напряжения и огромнаяэнергоемкость и энергоплотность.
Недостатки: высокая цена, токсичность ртути принарушении герметичности.
Параметры
Теорeтическаяэнергоёмкость: 228,72 Вт·ч/кг
Удельная энергоёмкость:до 135 Вт·ч/кг
Удельная энергоплотность:550—750 Вт·ч/дм³).
ЭДС: 1,36 В.
Рабочая температура: —12…+80 С°.
Отличается невысокимвнутренним сопротивлением, стабильным напряжением, высокой энергоёмкостью иэнергоплотностью.
Применение
Ввиду огромнойэнергоплотности ртутно-цинковые элементы к 1980-м годам нашли относительноширокое применение как источники питания в часах, кардиостимуляторах, слуховойаппаратуре, фотоэкспонометрах, военных приборах ночного видения, переноснойрадиоаппаратуре военного назначения, в космических аппаратах. Распространеныограничено ввиду токсичности ртути и высокой стоимости, в то же время объемвыпуска ртутно-цинковых батарей и элементов, оставаясь примерно на одномуровне, составляет порядка одного-полутора миллионов в год во всем мире.
Отдельно следует указатьна то обстоятельство что ртутно-цинковый элемент обратим, то есть способенработать как аккумулятор. Однако при циклировании (заряд-разряд) наблюдаетсядеградация элемента и уменьшение его емкости.
Это связано в основном состеканием и слипанием ртути в крупные капли при разряде и с ростом дендритовцинка при заряде. Для уменьшения этих явлений предложено вводить в цинковыйэлектрод гидроокись магния, а в окисно-ртутный электрод вводить тонкий порошоксеребра (до 9 %), и частично заменять графит карбином.
Производители
Фирмы — лидеры попроизводству ртутно-цинковых батарей: Union Carbide, VARTA, BEREC, Mallory.
Экологическиеособенности
токсичность ртути принарушении герметичности.
Элементы типа РЦ впоследнее время вытесняются более безопасными, так как проблема их раздельногосбора и, особенно, безопасной утилизации достаточно сложна.
Свинцово — плавиковыйэлемент
это первичный, резервныйхимический источник тока, в котором анодом является свинец, катодом — двуокисьсвинца в смеси с графитом (около 3,5%), а электролитом — водный растворкремне-фтористоводородной кислоты. Отличается особенностью хорошо работать вобласти отрицательных температур, и способностью к разряду токами огромной силы(до 60 Ампер/дм3 площади электродов).
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельная энергоемкость:34—50 Вт·ч/кг
Удельная энергоплотность:95—112 Вт·ч/дм3.
ЭДС: 1,95 Вольта.
Рабочая температура: -50+55°С.
Свинцово — кислотныйаккумулятор
Наиболее распространенныйна сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французскимфизиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи вавтомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.
Принцип действия
Принцип работысвинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца идиоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходитвосстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. Призаряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакцияэлектролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительномэлектроде и водорода — на отрицательном.
Устройство
Элемент свинцово-кислогоаккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов(разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляютсобой свинцовую решётку, а активным веществом является окись свинца (PbO2).Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активнымвеществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляютсурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Электроды погружены вэлектролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H2SO4). Наибольшаяпроводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшеевнутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при егоплотности 1,26 г/см3. Однако на практике, часто в районах с холодным климатомприменяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31г/см3. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятораплотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о, становитсявыше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)
В новых версиях свинцовыепластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовойпленкой *, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем допастообразного состояния.
Параметры
Удельная энергоемкость(Вт·ч/кг): около 30-40 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность(Вт·ч/дм³): около 60-75 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 2,1 В.
Рабочая температура: отминус 40 до плюс 40
Хранение
Свинцово-кислотныеаккумуляторы необходимо хранить в заряженном состоянии. При температуре ниже −20°C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/ак, 1раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцевпостоянным напряжением 2,4 В/ак в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторовпри температуре выше 30 °C не рекомендуется.
Серебряно — цинковыйаккумулятор
Вторичныйэлектрохимический источник тока, в котором анодом является цинк, электролитом —гидроксид калия, катодом — оксид серебра. Отличается очень малым внутреннимсопротивлением и большой удельной энергоёмкостью (150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм3).ЭДС 1,85 В (рабочее напряжение 1,55 В). Применяется в авиации, космосе, военнойтехнике, часах и др. Одной из важнейших особенностей серебряно-цинковогоаккумулятора является способность (при надлежащей конструкции) отдавать внагрузку токи колоссальной силы (до 50 Ампер на 1 Ампер·час емкости).
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость: до 425 Вт·ч/кг.
Удельная энергоемкость:до 150 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность:до 650 Вт·ч/дм3.
ЭДС: 1,85 В.
Рабочая температура:-40…+50 °С.
Применение
Два серебрянно-цинковыхаккумулятора емкостью по 120 а.ч и напряжением 366 в применялись в луноходе,который использовался для перевозки астронавтов по Луне в ходе программыАполлон. Максимальная теоретическая дальность пробега по луне составляла 92 км.
Производители
Лидер производствасеребряно-цинковых аккумуляторов различной емкости в России является компания«РИГЕЛЬ», Санкт-Петербург.
 
16) Серно — магниевыйэлемент
Это резервный первичныйхимический источник тока, в котором анодом является магний, катодом — сера всмеси с графитом (до 10%), а электролитом — раствор хлорида натрия.
Параметры
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельнаяэнергоемкость:103-128 Вт/час/кг.
Удельная энергоплотность:155-210 Вт/час/дм3.
ЭДС:1,65Вольта.
Хлористо — медно — магниевыйэлемент
Это первичный резервныйхимический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — однохлористая медь, а электролитом — водный раствор хлорида натрия.
Параметры
Удельнаяэнергоемкость:38-50Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоплотность:63-90Вт/час/дм3.
ЭДС:1,8Вольта.
Хлористо – свинцово — магниевыйэлемент
Это первичный резервныйхимический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — хлористыйсвинец в смеси с графитом, а электролитом — раствор хлорида натрия.
Параметры
Удельнаяэнергоемкость:45-50Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоплотность:70-98Вт/час/дм3.
ЭДС:1,1Вольта.
Хлоро — серебряныйэлемент
Это первичный химическийисточник тока, в котором анодом является цинк, катодом — хлористое серебро,электролитом — водный раствор хлорида аммония (нашатыря) или хлорида натрия.
В практику этотгальванический элемент введен Де-Ла-Рю в 1868 году для проведения своих опытовс электричеством. Де-Ла-Рю построил самую мощную и высоковольтнуюгальваническую батарею по тем временам, он использовал 14000(!)хлоро-серебряных элементов в своих знаменитых опытах с электрической искрой.
Параметры
Удельная энергоемкость: до127 Вт/час/кг
Удельнаяэнергоплотность: до 500 Вт/час/дм3.
ЭДС:1,05Вольта.
Рабочая температура: -15+70°С.
Хлорсеребряно — магниевый элемент
Это первичный резервныйхимический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — хлористоесеребро, а электролитом — водный раствор хлорида натрия.
Теоретическаяэнергоемкость:
Удельнаяэнергоемкость:45-64Вт/час/кг.
Удельнаяэнергоплотность:83-125Вт/час/дм3.
ЭДС:1,6Вольта.

Заключение
В данной работе былидостигнуты все цели и задачи, поставленные для её выполнения.
В заключение хотелось бысказать, что производство и разработка новых видов гальванических элементовостаётся актуальным, так как гальванические элементы без проблем вошли в нашужизнь и активно используются в повседневной жизни. Даже сложно представить нашужизнь без различных батареек и аккумуляторов.
Разработка новых видовгальванических элементов, в частности топливных элементов, влечёт, как мнекажется, активное использование их в будущем, так как это наиболее простые виспользовании и долговечные элементы, обладающие рядом преимуществ, посравнению с батарейками и аккумуляторами.

Список литературы
1. Деордиев С.С. Аккумуляторы и уход за ними. К.: Техника,1985. 136 с.
2. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2.Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред.И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
3. Н.Л.Глинка. Общая химия. Издательство «Химия»1977.
4. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.:Энергоиздат, 1981. 360 с.
5. ХрусталёвД.А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
6. Кромптон.Т. Первичные источники тока. Москва. «Мир». 1986.г.
7. КромптонТ. Первичные источники тока. — 1982
8. Справочник химика.том 5.изд«химия».Ленинград.1968.г.
Электронные ресурсы:
9. www.spsu.ru/
10. ru.wikipedia.org/wiki/
11. www.xumuk.ru/encyklopedia/