Химические источники тока на воздушных судах применяются как

Обновлено: 29.05.2023

торных батарей, предусматривалось и освещение в ночное время.

Впоследствии на самолетах начали устанавливать фары для

освещения взлетно-посадочной полосы. Установка светового обору-

дования позволила осуществить полеты в ночное время. В качест-

ве источников электроэнергии начали применять генераторы пере-

менного тока мощностью до 200 В-А с приводом от ветряного дви-

3гателя, работающего от встречного потока воздуха или от вала

авиадвигателя через ременную или цепную передачу.

Электрооборудование ВС по назначению отдельных его элемен-

тов подразделяют на три основные группы: 1) источники, преобра-

зователи электроэнергии и их пускорегулирующие устройства;

2) системы передачи и распределения электроэнергии; 3) потреби-

В первую группу входят: генераторы постоянного и переменно-

го токов; химические источники тока; преобразователи электриче-

ской энергии; выпрямители, трансформаторы, умножители напря-

жения и другие устройства; устройства для защиты генераторов

Состав второй группы включает в себя: электрическую сеть

(различные провода и жгуты); аппаратуру управления, защиты и

коммутации; аппаратуру распределительных устройств; монтаж-

но-установочное оборудование (разъемы, распределительные уст-

ройства, пульты и др.); контрольно-измерительную аппаратуру.

В третью группу входят: осветительные и светосигнальные уст-

ройства; электропривод (электродвигатели, электромагниты и дру-

гие устройства, предназначенные для приведения в действие раз-

личных исполнительных механизмов ВС); противообледенительные

и обогревательные устройства, холодильные установки; пусковые

устройства для запуска авиационных двигателей; установки авто-

матического управления, вычислительные машины; средства связи

и радиоаппаратура (навигационная и локационная); аппаратура

аэрофотосъемки; электроприборы; системы электрозажигания.

Бортовые системы электроснабжения ВС разделяются на пер-

вичные, вторичные и резервные (аварийные). Система электро-

снабжения называется первичной, если генераторы приводятся во

вращение маршевыми двигателями, вторичной—если электрическая

энергия в ней получается преобразованием электрической энергии

первичной системы. Резервной (аварийной) системой электроснаб-

жения называется такая, в которой электрическая энергия получа-

ется от резервных источников; аккумуляторных батарей, генерато-

ра с приводом от вспомогательной силовой установки или ветря-

Системы электроснабжения разделяются на следующие виды:

постоянного тока; переменного трехфазного (однофазного) токапостоянной частоты; переменного трехфазного (однофазного) тока

переменной частоты. Выбор той или иной системы обусловлен

многими факторами: назначением ВС, требованиями к качеству

электрической энергии, требованиям по надежности, удобством

эксплуатации, технико-экономическими показателями и др.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БОРТОВАЯ СЕТЬ: АВИАЦИОННЫЕ ПРОВОДА, АППАРАТУРА ЗАЩИТЫ И УПРАВЛЕНИЯ.

Электрооборудование ВС по назначению отдельных его элементов подразделяют на три основные группы:

1) источники, преобразователи электроэнергии и их пускорегулирующие устройства;

2) системы передачи и распределения электроэнергии;

3) потребители электроэнергии.

В первую группу входят: генераторы постоянного и переменного токов; химические источники тока; преобразователи электрической энергии; выпрямители, трансформаторы, умножители напряжения и другие устройства; устройства для защиты генераторов

от перенапряжений, перегрузок и обратных токов; устройства,

обеспечивающие равномерное распределение активных и реактивных мощностей между параллельно работающими генераторами;

регулирующая аппаратура, в которую входят регуляторы напряжения и частоты.

Состав второй группы включает в себя: электрическую сеть

(различные провода и жгуты); аппаратуру управления, защиты и

коммутации; аппаратуру распределительных устройств; монтажно-установочное оборудование (разъемы, распределительные устройства, пульты и др.); контрольно-измерительную аппаратуру.

В третью группу входят: осветительные и светосигнальные устройства; электропривод (электродвигатели, электромагниты и другие устройства, предназначенные для приведения в действие раз-

личных исполнительных механизмов ВС); противообледенительные

и обогревательные устройства, холодильные установки; пусковые

устройства для запуска авиационных двигателей; установки автоматического управления, вычислительные машины; средства связи

и радиоаппаратура (навигационная и локационная); аппаратура

аэрофотосъемки; электроприборы; системы электрозажигания.

Бортовые системы электроснабжения ВС разделяются на первичные, вторичные и резервные (аварийные). Система электро-

снабжения называется первичной, если генераторы приводятся во

вращение маршевыми двигателями, вторичной—если электрическая

энергия в ней получается преобразованием электрической энергии

первичной системы. Резервной (аварийной) системой электроснабжения называется такая, в которой электрическая энергия получается от резервных источников; аккумуляторных батарей, генератора с приводом от вспомогательной силовой установки или ветряного двигателя.

Системы электроснабжения разделяются на следующие виды:

постоянного тока; переменного трехфазного (однофазного) тока

постоянной частоты; переменного трехфазного (однофазного) тока

переменной частоты. Выбор той или иной системы обусловлен

многими факторами: назначением ВС, требованиями к качеству

электрической энергии, требованиям по надежности, удобством

эксплуатации, технико-экономическими показателями и др.

На всех летательных аппаратах широкое применение находит электрическая энергия. Достаточно указать, что мощность, потребная для одновременного приведения в действие электрооборудования современного тяжелого самолета, достигает нескольких сот киловатт, общая длина проводов — до 100 км, а общий вес — нескольких тонн.

Широкое применение электрической энергии вызвано тем, что ее легко передавать на расстояние и распределять между потребителями, легко преобразовывать в другой вид энергии, например в энергию тепла, света, механическую. Электропривод позволяет легко решать вопросы дистанционного управления и автоматизации, дает возможность бесступенчато и ступенями регулировать скорость электропередач в значительных диапазонах. Эксплуатационная живучесть проводки высокая, можно просто локализовать повреждения отдельных участков системы путем установки предохранителей.

Провод БПВЛ состоит из токоведущей жилы, изоляции из винипласта и хлопчатобумажной оплетки, покрытой лаком. Винипласт нерастворим в воде и плохо растворяется даже в самых лучших органических растворителях, не боится кислот и щелочей, обладает хорошими диэлектрическими свойствами и механической прочностью, на него не действуют бензин и смазочные масла, газы и растворы солей, он выдерживает температуру до 130°. Хлопчатобумажная оплетка, покрытая нитроцеллюлозным лаком, защищает основную изоляцию провода от воздействия окружающей среды. Пленки нитролаков механически прочны, имеют хороший блеск и устойчивы к действию влаги, масла, бензина и керосина.

Провода радиооборудования — экранированные, марки БПВЛЭ, имеют луженую медную оплетку, которая играет роль экрана, защищающего от внешних электрических помех и предохраняющего от механических повреждений.

Сечением провода называется суммарная площадь поперечного разреза токоведущей жилы. Выбор сечения провода зависит от тока нагрузки, протекающего по проводу.

Все провода объединены в жгуты и имеют буквенно-цифровую маркировку. Буква или индекс обозначает место расположения жгута, а цифра — его порядковый номер в своей группе по месторасположению. Маркировка Ц-1, Л-21 читается так: первый жгут центроплана, 21-й жгут кабины летчика. Маркировка наносится на жгуты металлическими или винипластовыми бирками через каждые 1,5—2 м.

Аппаратура защиты и управления, предназначенная для предохранения потребителей и участков электросети от перегрузок и последствий короткого замыкания, обеспечивает автоматическое отключение потребителя или поврежденного участка сети. Аппаратура защиты характеризуется избирательностью действия и чувствительностью.

Избирательность действия аппаратуры защиты необходима для того, чтобы обеспечить отключение только поврежденного участка, оставив включенными исправные участки сети. Критический ток аппаратов защиты, стоящих ближе к источнику электрической энергии, должен быть большим.

Под чувствительностью аппаратов защиты понимают их способность реагировать на небольшие длительные перегрузки, которые могут привести к опасным последствиям, но в то же время не реагировать на кратковременные значительные перегрузки, например на пусковые токи электродвигателей. Для выполнения этого требования должно быть выдержано соответствие тепловой характеристики защищаемого объекта и ампер-секундной характеристики аппарата защиты. Тепловой характеристикой защищаемого объекта, например электродвигателя, называется зависимость времени его нагрева до допустимой температуры от протекающего тока. Ампер-секундной характеристикой аппарата защиты называется зависимость времени его срабатывания от тока нагрузки (перегрузки). Качество защитного аппарата, а также пригодность его для защиты того или иного объекта в основном определяется его ампер-секундной характеристикой. Сравнивая характеристики различных предохранителей, можно сказать, что плавкие предохранители срабатывают через меньшее время, чем инерционные, т. е. автоматы защиты сети и инерционные предохранители обладают большей чувствительностью, чем плавкие предохранители. Аппарат защиты должен сработать раньше, чем может быть поврежден какой-либо элемент электрооборудования в защищаемой цепи. В самолетной сети применяются плавкие и инерционные предохранители и автоматы защиты сети.

Плавкие предохранители СП предназначены для защиты участков сети со спокойной нагрузкой. Плавкий предохранитель, показанный на рис. , состоит из стеклянной трубки, в которую запаян плавкий элемент, представляющий легкоплавкий металл. Плавкие предохранители устанавливаются в цепях переменного тока и питания радиоустройств. Прохождение тока по плавкому элементу предохранителя сопровождается выделением тепла. Количество тепла пропорционально квадрату протекающего тока и времени. При определенном токе плавкий элемент плавится и разрывает цепь.

Рисунок 1. Плавкие предохранители

Инерционные предохранители (ИП) применяют в цепях с индуктивной нагрузкой (преобразователи, электродвигатели, генератор и т. д.). Инерционный предохранитель состоит из фибровой трубки, медного тела, нагревательного элемента (константановая калиброванная спираль), скобы, легкоплавкого припоя, пружины, оттягивающей скобу, латунной пластины, гипсового порошка и наконечников.

При небольших перегрузках нагревается калиброванная спираль, которая нагревает медное тело, обладающее большой теплоемкостью и тепловой инерцией. Когда медное тело нагревается до температуры плавления припоя, то припой расправляется и пружина оттягивает скобу от латунной пластины, цепь при этом размыкается. При кратковременной перегрузке предохранитель не срабатывает, так. как медное тело не успевает нагреться до температуры плавления, припоя. При коротком замыкании плавится латунная пластина.

Рисунок 2. Инерционные предохранители

Автоматы защиты сети являются предохранителями многократного действия и выполняют функции защитного аппарата и выключателя.

Чувствительным элементом АЗС является биметаллическая пластина , состоящая из двух слоев: инвара и хромомолибденоникелевой стали сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения. Биметаллическая пластина при прохождении электрического тока нагревается и вследствие разности коэффициентов линейного теплового расширения изгибается. К биметалической пластине приварен уголок. Когда контакты замкнуты, то колодка находится в крайнем положении. Уголок входит в зацепление с фиксатором и удерживает возвратную пружину в сжатом состоянии, при этом можно замыкать и размыкать контакты вручную.

Электрооборудование ВС по назначению отдельных его элементов подразделяют на три основные группы:

1) источники, преобразователи электроэнергии и их пускорегулирующие устройства;

2) системы передачи и распределения электроэнергии;

3) потребители электроэнергии.

Состав второй группы включает в себя: электрическую сеть

(различные провода и жгуты); аппаратуру управления, защиты и

личных исполнительных механизмов ВС); противообледенительные

и обогревательные устройства, холодильные установки; пусковые

и радиоаппаратура (навигационная и локационная); аппаратура

аэрофотосъемки; электроприборы; системы электрозажигания.

снабжения называется первичной, если генераторы приводятся во

вращение маршевыми двигателями, вторичной—если электрическая

энергия в ней получается преобразованием электрической энергии

Различают первичные и вторичные химические источники тока. Действие первичных (необратимых) источников тока основано на необратимых или труднообратимых электрохимических реакциях. Примером необратимых источников тока могут служить гальванические элементы. Они являются источниками одноразового действия и применяются главным образом на ракетах.

Во вторичных источниках тока, или аккумуляторах, в основу действия положены обратимые электрохимические реакции. Они способны не только отдавать, но и накапливать (аккумулировать) электрическую энергию, подводимую извне.

Аккумулятором называется устройство, способное многократно накапливать электрическую энергию постоянного тока, сохранять ее в течение определенного времени и отдавать потребителям.

Аккумуляторы являются химическими источниками тока, так как в них энергия протекающих химических процессов преобразуется в электрическую энергию.

На самолетах и на аэродромах используются кислотные и щелочные аккумуляторы. По назначению аккумуляторы делятся на бортовые и аэродромные (наземные).

Бортовые аккумуляторы предназначены для питания:

потребителей электроэнергии систем автономного запуска силовой установки;

потребителей электроэнергии при кратковременных токовых нагрузках генератора;

жизненно важных потребителей при отказе генераторов в полете или при повреждении электросети,

маломощных потребителей при проверках на работоспособность.

Аэродромные аккумуляторы используются для питания:

потребителей электроэнергии на аэродромах и стартовых площадках при проверках;

потребителей электроэнергии при запуске авиадвигателей.

Аккумуляторы выполняются в виде батареи, состоящих из определенного числа последовательно соединенных элементов. Наиболее распространены в авиации кислотные бортовые аккумуляторные батареи 12-А-ЗО, 12-САМ-28, 12-САМ-55, 12-АСАМ-23

и аэродромные аккумуляторные багарен 12-АО-50, 12-АСА-140М.

Первые цифры обозначения указывают на число элементов в батарее; буквы — область применения (например, САМ — стартерная авиационная моноблочная, АСАМ — авиационная стартерная модернизированная с адсорбированным электролитом, АО — аэродромного обслуживания, АСА — аэродромная стартерная авиационная); цифры, стоящие после букв, — номинальную емкость в ампер-часах.

Из щелочных батарей имеются 15-СЦС-45 (СЦС — серебряно- цинковая самолетная) и кадмиево-никелевые батареи 20-КНБ-25.

На современных самолетах и вертолетах для приведения в действие различных электрифицированных установок применяется электрическая энергия. Она является наиболее универсальным видом энергии по сравнению с другими видами (мускульной, пневматической, пиротехнической, гидравлической).

Электрическую энергию, кроме того, легко трансформировать в другие виды энергии, передавать и распределять между потребителями; с помощью ее можно максимально автоматизировать процессы управления, регулирования и контроля, а также обеспечить создание систем с высокой надежностью.

В связи с этим электрическая энергия очень широко используется на самолетах и вертолетах. Она применяется почти во всех видах оборудования: автопилотах, системах запуска авиадвигателей, расхода топлива, выпуска и уборки шасси, для обогрева элементов самолетов, радиотехнических средств и др.

Современные самолеты и вертолеты в высокой степени электрифицированы. Например, на тяжелом пассажирском самолете мощность всех источников электроэнергии достигает 150—350 кет, общая длина электрических проводов составляет 50—100 км, а вес их — более 1 000 кг.

Задачи улучшения летных характеристик самолета, совершенствования систем управления, комплексной автоматизации требуют дальнейшей электрификации и совершенствования оборудования.

На самолете имеются специальные электроэнергетические системы, обеспечивающие электрической энергией всех ее потребителей. Эти системы включают:

источники и преобразователи электрической энергии с соответствующей регулирующей аппаратурой (генераторы, преобразователи рода тока и напряжения, химические источники тока, регулято-

ры напряжения и частоты тока, устройства для подключения, отключения, блокировки, защиты источников и распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами);

системы передачи и распределения электрической энергии (электрические сети, коммутационная и защитная аппаратура, приборы контроля, монтажное и установочное оборудование).

Системы электроснабжения на самолете классифицируются по роду используемого ими электрического тока, по величине номинального напряжения и но способу распределения электроэнергии.

По роду используемого тока системы электроснабжения подразделяются на системы постоянного и переменного тока, а по величине номинального напряжения — на системы низкого (до 30 в) и повышенного (выше 30 в) напряжения.

По способу распределения электрической энергии системы электроснабжения подразделяются на централизованные, смешанные и децентрализованные.

На ряде отечественных самолетов используется система постоянного тока, а потребители переменного тока обеспечиваются электроэнергией от электромашинных преобразователей. Однако имеется и ряд типов самолетов с самостоятельными энергосистемами переменного тока.

Исследования, проведенные в последнее время у нас и за рубежом, показывают, что на самолете только для 15% потребителей требуется электроэнергия постоянного тока, а для 20% необходима электроэнергия переменного тока стабильной частоты; остальные потребители могут питаться от источников переменного тока нестабильной частоты. Отсюда видна целесообразность замены всей энергосистемы постоянного тока на энергосистему переменного тока.

Системы электроснабжения на переменном токе и применяемое при этом оборудование имеют целый ряд преимуществ по сравнению с системами и оборудованием постоянного тока:

машины переменного тока не имеют коллекторов, что значительно повышает их надежность, высотность, уменьшает уровень радиопомех и на 10—20% увеличивает коэффициент полезного действия;

переменный ток можно просто и экономно трансформировать из одного напряжения в другое и преобразовывать в постоянный ток, соответственно с помощью статических трансформаторов и вы прямителен;

условия искрогашенпя на контактах коммутационной аппаратуры для переменного тока значительно легче, чем для постоянного тока.

Наряду с отмеченными выше достоинствами переменного тока применение его на самолете связано с рядом трудностей:

для многих потребителей необходим ток стабильной частоты, что требует применения специальных (и сложных по устройству) редукторов, так как скорость вращения авиадвигателя переменная;

параллельную работу генераторов переменного тока значительно сложнее осуществлять, чем генераторов постоянного тока;

у электродвигателей переменного тока трудно осуществляется регулирование скорости вращения и, кроме того, они имеют малые пусковые моменты.

Поэтому с учетом вышеизложенного в настоящее время на самолетах применяют как оборудование переменного, так и постоянного тока.

Следует отметить, что для получения относительно высоких параметров электроэнергетической системы переменного тока необходимо правильно подобрать значения напряжения, частоты, числа фаз н их соединение.

На рис. 1 показаны зависимости относительного веса трансформаторов (кривая 1), асинхронных электродвигателей мощностью I кет (кривая 3), 0,5 кет (кривая 2) и 0,075 кет (кривая 4) от частоты тока. Кривая 5 определяет зависимость времени горения дуги между контактами от частоты тока.

Из приведенного графика можно установить, что при условии минимального веса и наименьшего времени горения дуги оптимальной является частота порядка 400 гц.

Число фаз системы переменного тока оказывает существенное влияние на вес электрических машин. К потребителям переменного тока напряжение в зависимости от числа фаз может подводиться одним, двумя, тремя, четырьмя проводами. Исследования трехфазных систем показали, что наибольшая экономичность в весе достигается при соединении фаз обмоток генератора в звезду с использованием корпуса в качестве нулевого провода. В этом случае в сети имеются фазовые напряжения Vф и линейное напряжение [/л=УЗ-[/ф (рис. 2, а). Однако по соображениям безопасности для обслуживающего персонала иногда корпус самолета не используют как нулевой провод.

На некоторых типах самолетов устанавливают генераторы, у которых обмотки соединены треугольником (рис. 2, б). Чаще всего такое соединение применяют, когда трехфазный генератор используется по однофазной схеме.

Таким образом, в настоящее время электроэнергетические системы самолетов и вертолетов имеют следующие основные параметры:

в системах постоянного тока — напряжение 28,5 в;

в трехфазных системах переменного тока —- напряжение 200/115 в, частота 400 гц;

в однофазных системах переменного тока — напряжение 115 в, частота 400 гц,

ХИТы– устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.

Недостатки ХИТ:

1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;

2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.

Преимущества ХИТ:

1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы). Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;

2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;

3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);

4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.

Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.

Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).

Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель. Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.

Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора

Активными веществами свинцового аккумулятора являются: губчатый свинец и PbO₂. Создание активных масс в электродах заключается в следующем: на электропроводящий каркас конструкции наносят пасту или смесь оксидов Pb; при последующем формировании пластин оксиды Pb превращаются в активные вещества. Формирование– перевод незаряженной массы в заряженную. Такого рода пластины подразделяются в зависимости от типа каркаса на намазные и решетчатые. Большинство аккумуляторов собирают из намазных пластин. При их изготовлении пасту из оксидов свинца вмазывают в ячейки профилированных решеток толщиной 1 – 7 мм, отлитых из Pb – Sb сплава. После затвердевания паста удерживается на решетке, гарантия такого аккумулятора – 2 – 3 года. При выборе материалов токоотводов положительных электродов аккумуляторов важно обеспечить их практическую пассивность (при сохранении электрической проводимости) в условиях заряда (до весьма высоких потенциалов при анодной поляризации). Для этой цели в растворах H₂SO₄ применяют Pb или его сплавы. Корпус и крышка ХИТ могут быть изготовлены из стали, либо из различных диэлектриков, но в свинцово-кислотных аккумуляторах корпус выполняют из эбонита, полипропилена, стекла. Электролит в свинцово-кислотном аккумуляторе может участвовать в суммарной токообразующей реакции. Для токоведущих отводов отрицательного электрода применяют Cu, Ti, Al.

Химические источники тока (ХИТ) – электрохимические устройства, в результате работы которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию постоянного тока. К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы.

Основными характеристиками ХИТ являются ЭДС, напряжение, мощность, энергия, которую они отдают во внешнюю цепь, саморазряд.

Химические источники тока должны иметь: как можно большее значение ЭДС; максимально высокие удельные мощность и емкость; по возможности меньшую разность между напряжением источника тока и его ЭДС; максимально низкий саморазряд (потеря емкости ХИТ при разомкнутой цепи).

Гальванические элементы – устройства, в которых энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Он состоят из двух электродов, имеющих различный электродный потенциал, электролита, который дает возможность перемещаться ионам от одного электрода к другому, и металлического проводника для перемещения электронов, направленный поток которых приводит к возникновению электрического тока.

Рассмотрим механизм возникновения электрического тока на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниэля – Якоби). Он состоит из двух электродов – цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди, которые разделены полупроницаемой перегородкой 1 (внутренняя цепь) (рис. 8.3.). Электроды соединены друг с другом металлическим проводником (внешняя цепь) через гальванометр 2.

Если цепь замкнута, то происходят процессы гидратации ионов металлов на обоих электродах и устанавливается химическое равновесие между металлом и его ионами в растворе:

Металлы приобретают разный по величине заряд, так как Zn и Cu имеют различную активность, которая может быть оценена с помощью стандартных электродных потенциалов ( =−0,76 В, =+0,34 В).

Рис. 8.3. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби

Таким образом, концентрация свободных электронов на этих электродах различна. При замыкании внешней цепи происходит выравнивание этих концентраций и электроны по внешнему проводнику перемещаются от Zn электрода к Cu электроду. Концентрация электронов на цинковом электроде уменьшается, что приводит к смещению равновесия на границе Zn/ZnSO₄ в сторону образования катионов Zn 2+ ,т.е. происходит процесс растворения цинка (Zn Zn 2+ + 2 ).

Процесс окисления в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом.

Концентрация свободных электронов на медном электроде увеличивается в результате поступивших электронов с цинка и равновесие на границе Cu/CuSO₄ смещается в сторону образования металлической меди (Cu Cu 2+ + 2 ), т.е. происходит процесс восстановление меди.

Процесс восстановления в электрохимии называется катодным процессом, а сам электрод – катодом.

На Zn – аноде происходит процесс окисления, в результате которого цинк переходит в раствор в виде катионов, на Cu – катоде – процесс восстановления ионов меди:

Cu 2+ + Zn « Zn 2+ + Cu.

Таким образом, при работе гальванического элемента одновременно происходят процессы окисления и восстановления.

Схематически работа гальванического элемента записывается следующим образом:

(−) Zn /Zn 2+ ç H₂SO₄ ç Cu 2+ /Cu (+).

В гальваническом элементе происходит движение ионов (SO₄ 2- ) во внутренней цепи и электронов (2 ) во внешней, т.е. возникает электрический ток.

В скобках указываются знаки электродов, причем анод записывается слева, катод – справа. Стрелки указывают направление движения электронов во внешней цепи и ионов SO₄ 2- во внутренней.

Важной характеристикой гальванического элемента является его движущая сила (ЭДС), которая представляет собой разность потенциалов электродов при отсутствии тока во внешней цепи:

Потенциалы каждого электрода зависят от концентрации потенциалопределяющих ионов и вычисляются по уравнению Нернста (8.4).

Если условия стандартные ([ZnSO₄] и [CuSO₄ ] = 1 моль/л, температура Т = 298 К), то для медно–цинкового элемента стандартная ЭДС о равна:

ЭДС о = +0,34 – (–0,76) = 1,1 В.

Среди большого разнообразия гальванических элементов можно выделить три основных типа:

1. Два различных металла находятся в растворах своих солей.

К этому типу относится рассмотренный гальванический элемент Даниэля–Якоби.

2. Два различных металла находятся в одном электролите.

Примером такого элемента может служить элемент Вольта, состоящий из двух пластин (Zn и Cu), находящихся в растворе серной кислоты.

При его работе происходят следующие процессы:

Выделяющийся водород насыщает поверхность катода (меди), в результате чего получается электрод другого состава (не медный, а водородный). Схема гальванического элемента Вольта:

(−) Zn/Zn 2+ çH₂SO₄ç2H + /H₂ (Cu) (+).

3. Два одинаковых электрода находятся в растворах своих солей с различной концентрацией ионов металла в электролите. Такой элемент называется концентрационным.

Схема медного концентрационного гальванического элемента:

(−) Cu/CuSO₄ ççCuSO₄/Cu (+).

Роль анода выполняет электрод, находящийся в более разбавленном растворе, так как его электродный потенциал имеет более низкое значение по сравнению со вторым электродом. ЭДС такого гальванического элемента зависит только от соотношения концентраций потенциалопределяющих ионов (в данном случае от концентрации CuSO₄).

Как источники электрической энергии концентрационные гальванические элементы практического значения не имеют.

Электродвижущая сила и напряжение гальванического элемента. ЭДС – разность потенциалов между катодом и анодом в условиях обратимой работы ГЭ. Измерение ЭДС обычно проводят компенсационным методом при отсутствии тока в цепи.

Прямым измерением разности потенциалов на клеммах элемента с помощью обычного вольтметра можно получить значение напряжения U, которое не равно ЭДС элемента.

Напряжение – разность между электродами работающего гальванического элемента (в необратимых условиях работы). Напряжение элемента U и величину омического падения напряжения во внешней и внутренней цепях I (r₁ + r₂):

где – перенапряжение (поляризация элемента, равная сумме катодной _К и анодной _А поляризаций); I – ток; r₁, r₂ – сопротивления соответственно внешней и внутренней цепей электрохимической системы.

Поляризация – явление отклонения потенциала электрода от его равновесного значения при прохождении через систему электрического тока. В результате поляризации потенциал анода смещается в положительную сторону, потенциал катода – в отрицательную сторону и в соответствии с уравнением Нернста ЭДС элемента уменьшается.

Разница между ЭДС и напряжением обусловлена падением напряжения внутри элемента при прохождении тока и другими эффектами. Для увеличения напряжения на клеммах в гальванических элементах снижают поляризацию анода и катода и максимально уменьшают внутреннее сопротивление ХИТ.

Процесс уменьшения электродной поляризации называют деполяризацией. Ее уменьшают путем изменения условий протекания электродных процессов или применением специальных веществ – деполяризаторов, способных электрохимически окисляться или восстанавливаться, изменяя тем самым природу электродных процессов. Деполяризаторами-окислителями являются, например, H₂Cr₂O₇, MnO₂, кислород воздуха, деполяризаторами-восстановите-лями – Na₂SO₃, Na₂PO₃ и др.

Аккумуляторы – гальванические элементы, которые на основе обратимых электрохимических реакций могут многократно накапливать химическую энергию и отдавать ее для потребления в виде электрической энергии постоянного тока.

Аккумуляторы – устройства многоразового действия, сочетающие в себе гальванический элемент и электролизер. Под воздействием внешнего постоянного тока в них аккумулируется (накапливается) химическая энергия, которая затем превращается в электрическую энергию в результате окислительно-восстановительной реакции.

Процесс накопления химической энергии называют зарядом аккумулятора, процесс ее превращения в электрическую – разрядом аккумулятора. В первом случае аккумулятор работает как электролизер, во втором – как гальванический элемент.

Устройство и принцип действия всех аккумуляторов одинаковы. Основное отличие состоит в материале электродов и типе электролита. На аноде как при разряде, так и при заряде протекает процесс окисления, на катоде – процесс восстановления.

Наиболее распространенными являются кислотные и щелочные аккумуляторы.

Кислотный аккумулятор (свинцовый аккумулятор) представляет собой пластины в виде отливок из хартблея (твердого свинца с примесью сурьмы) ячеистой структуры, собранные в батареи и помещенные в баки из эбонита или полипропилена с электролитом. В ячейки пластин предварительно запрессовывается смесь оксида свинца (PbO) с глицерином, обладающая способностью затвердевать в виде глицерата свинца. Электролитом служит раствор серной кислоты с концентрацией 35-40 %. Анодная и катодная части разделены токонепроводящим сепаратором.

Cхема кислотного аккумулятора:

При взаимодействии оксида свинца с H₂SO₄ образуется PbSO₄

При первичном и последующих зарядах аккумулятора, когда он работает как электрохимическая ячейка, PbSO₄ на катоде превращается в свинец Pb, а на аноде – в диоксид свинца PbO₂, которые и являются электродами.

При работе аккумулятора – его разряде, когда он работает как химический источник тока, на электродах протекают электродные процессы в обратном направлении.

Электродные реакции в свинцовом аккумуляторе можно представить в виде:

По мере его разряда расходуются материалы катода (PbО₂) , анода (Pb) и электролит – серная кислота. Напряжение на зажимах аккумулятора падает, и его необходимо заряжать. Свинцовый аккумулятор не должен разряжаться до полного расходования активности веществ. Если это произойдет, то станет невозможной его перезарядка (аккумулятор можно разряжать до 1,8 В). Для заряда аккумулятор подключают к внешнему источнику тока, направление тока противоположно разрядному.

Во время заряда аккумулятора растет напряжение на его полюсах. В конце оно достигает такого значения, что начинается электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода на катоде и кислорода – на аноде:

Так называемое «кипение» электролита является признаком окончания заряда свинцового аккумулятора.

Стандартные величины потенциалов для электродов свинцового аккумулятора имеют следующие значения: Е о = −0,356 В, Е о = +1,685 В.

ЭДС аккумулятора как химического источника тока рассчитывается по уравнению:

ЭДС аккумулятора зависит от концентрации (активности) серной кислоты, которая возрастает при заряде аккумулятора и уменьшается при его разряде. О степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, т.е. концентрации H₂SO₄. На практике с помощью ареометра обычно измеряется не концентрация кислоты, а ее плотность.

При плотности =1,19 г/см 3 аккумулятор разряжен на 50%, при =1,11 г/см 3 аккумулятор разряжен полностью. Используя концентрированные растворы H₂SO₄, можно было бы увеличить ЭДС аккумулятора, однако при концентрации H₂SO₄ больше 39% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32-39 % − ные растворы H₂SO₄.

ЭДС заряженного аккумулятора приблизительно равна 2 В. Если последовательно соединить 6 элементов, то получится обычный автомобильный аккумулятор с ЭДС=12 В.

Заряженный аккумулятор может быть сразу использован по назначению. При хранении же из него выливают электролит и промывают водой. В таком виде он может находиться до 2−х лет, и для его использования достаточно лишь залить электролит. При хранении незаряженного аккумулятора с раствором серной кислоты происходит его «сульфатирование» – образование на пластинках большого количества PbSO₄.

Когда кислотный аккумулятор работает, давая ток, PbSO₄ осаждается в очень мелкозернистой форме на поверхности электродов. Когда же аккумулятор выключен, мелкозернистый слой рекристаллизуется и образуются более крупные кристаллы, которые могут закупорить поры электрода, уменьшая его поверхность, или отрываться от электрода и основной причиной выхода аккумулятора из строя, поэтому нужно следить, чтобы аккумулятор не простаивал частично в разряженном состоянии.

Преимущества свинцового аккумулятора – высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое ее изменение при разряде, большая электрическая емкость, устойчивость в работе.

Недостатки – большая масса и, следовательно, малая удельная емкость, саморазряд аккумулятора при хранении, малый срок службы (2-5 лет), а также токсичность свинца и сильные окислительные свойства H₂SO₄. Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов свинца для решеток, препятствующих образованию и выпадению шлама, кристаллизации сульфата свинца, облегченных и прочных материалов корпусов и улучшения качества сепараторов.

Щелочные аккумуляторы различаются по материалу пластин отрицательно заряженного электрода. Наиболее распространенные из них кадмий – никелевые (Cd − Ni) и железо – никелевые (Fe – Ni) аккумуляторы. Активная масса положительных пластин состоит в основном из гидратированного оксида никеля (III). Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Электролитом служит раствор КОН (20 %), содержащий небольшое количество LiOH. ЭДС заряженного аккумулятора (Cd − Ni) приблизительно равна 1,3 В.

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие при работе щелочного аккумулятора (Сd – Ni), могут быть представлены следующими уравнениями:

(−) A: Cd + 2OH - Cd (OH)₂ + 2 ; (+) K: 2NiO(OH) + 2H₂O + 2 2Ni(OH)₂ + 2OH – ; 2NiO(OH) + 2H₂O + Cd Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂.

Cхемы щелочных аккумуляторов:

(−) Cd/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+);

(−) Fe/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+).

В отличие от свинцового аккумулятора срок службы щелочных аккумуляторов порядка 10 лет. Они хорошо выдерживают перегрузку и длительное время пребывания в разряженном состоянии. Однако меньшая ЭДС и более высокая стоимость не позволяют во многих случаях заменить ими свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы выпускаются промышленностью различной удельной емкости (0,5–120 А ч). В последние годы проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых аккумуляторов, что обусловлено необходимостью создания экологически чистых автомобилей.

Топливные элементы (ТЭ) – перспективные химические источники тока (электрохимические генераторы), способные непрерывно работать за счет постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции.

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается в электрическую энергию.

ТЭ относятся к первичным химическим источникам тока с непрерывной подачей реагентов (окислителя и восстановителя) и непрерывным удалением продуктов сгорания.

Сгорание топлива (окисление) практически во всех ТЭ происходит на поверхности инертных электродов (С_графит, Pt, Ag, Ni и др.), содержащих катализаторы.

В качестве топлива (восстановителя) используют жидкие или газообразные водород, гидразин, гидриды металлов, оксид углерода, различные углеводороды, метиловый спирт и др. спирты. Твердое топливо – уголь, кокс, торф обладает малой реакционной способностью и может быть окислено при температуре выше 1000 о С. Электролитами являются водные растворы кислот или щелочей, расплавленные карбонаты или гидриды металлов. Как правило, природные виды топлива подвергаются предварительной обработке для получения электрохимически активных веществ.

На практике наиболее часто применяется водородно-кислородный топливный элемент со щелочным электролитом (30−40 % раствор KOH). Устройство элемента чрезвычайно простое. В герметически закрытом сосуде установлено два пористых, металлических (чаще всего никелевых) электрода, разделенных слоем раствора гидроксида калия (натрия). В ТЭ подаются газообразный водород и кислород.

Схема водородно-кислородного ТЭ имеет следующий вид:

где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода (например, специально обработанные Ni, Co, металлы группы Pt).

Элемент работает при 50-70 о С, при атмосферном давлении. На электродах протекают следующие реакции:

на аноде – окисление водорода

на катоде – восстановление кислорода

(+) К: ½O₂ + H₂O + 2 2OH - .

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов OH - от катода к аноду.

Уравнение токообразующей реакции имеет вид:

Таким образом, в водородно-кислородном ТЭ протекает процесс сгорания водорода с образованием воды. В результате протекания этой реакции в цепи генерируется постоянный ток и химическая энергия превращается в электрическую энергию постоянного тока.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: