 |
5.1. Топливный элемент. 6. Коррозия
|
|
|
|
5. 1. Топливный элемент
Разновидностью гальванического элемента является топливный элемент, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции сгорания газообразного и жидкого топлива превращается непосредственно в электрическую. Особенность топливных элементов состоит в том, что топливо и окислитель подводятся по мере их расходования. Это обеспечивает непрерывность работы источника тока теоретически в течение сколь угодно длительного времени. Одновременно и также непрерывно выводятся продукты окисления.
В качестве окислителя в топливных элементах почти всегда используется или чистый кислород или кислород воздуха. В качестве топлива применяются водород, гидразин, метанол, водяной и генераторный газы. Наибольшие успехи достигнуты в разработке водородно-кислородного топливного элемента.
Рассмотрим работу такого топливного элемента, который представляет собой два электрода специальной конструкции, погруженные в раствор щелочи (КОН). К поверхности одного из них непрерывно подводится водород (топливо), а к другому окислитель (кислород).
При замыкании внешней цепи на аноде протекает реакция окисления водорода:
2Н2 + 4ОН- = 4Н2О + 4е
На катоде восстанавливается кислород:
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН-
По внешней цепи электроны перемещаются от анода к катоду, а в растворе цепь замыкается движением ионов ОН- от катода к аноду. Суммарное уравнение реакции сводится к получению воды.
2Н2 + О2 = 2Н2О
Для эффективной работы топливного элемента используются катализаторы, которые наносят на электроды.
Таблица 3
Некоторые гальванические элементы, применяемые
в промышленности и на транспорте
|
|
|
| Название элемента | Электрохимическая схема | Электрохимические процессы | ЭДС В | |
| у анода | у катода | |||
| Марганцево-магниевый | Mg/MgBr2//MnO2/C | Mg-2e-→ Mg2+ | 2MnO2+H2O+2e→ Mn2O3+2OH- | 2, 0 |
| Свинцово- цинковый | Zn/H2SO4//PbO2/Pb | Zn-2e-→ Zn2+ | PbO2+2e+4H+→ PbO2+2H2O | 2, 5 |
| Серебряно-цинковый с оксидом серебра | Zn/KOH//Ag2O/Ag | Zn-2e→ Zn2+ | Ag2O+H2O+2e-→ 2Ag+2 | 1, 85 |
| Кислородно-цинковый | Zn/NH4Cl//O2/C | Zn-2e-→ Zn2+ | O2+2H2O+4e-→ 4OH- 4OH-+4NH4+→ 4NH3+4H2O | 1, 4 |
| Свинцово-кадмиевый | Cd/H2SO4//PbO2/Pb | Cd-2e-→ Cd2+ | PbO2+2e+4H+→ Pb2++2H2O | 2, 2 |
Важнейшей проблемой топливного элемента является кинетика электродных процессов – даже при очень слабом токе напряжение на клеммах источника быстро падает, так как элемент сильно поляризуется. Только большая скорость реакции окисления и восстановления позволяет получить довольно высокий коэффициент использования топлива. Для снижения поляризации топливного элемента используются пористые электроды с сильно развитой поверхность, изготовленные из порошков металлов или угля, обладающие каталитическим действием. В качестве катализаторов электродов используются металлы платиновой группы, серебро, специально обработанные никель и кобальт (поэтому топливные элементы еще являются дорогостоящими). Скорость электродных процессов можно также увеличить путем увеличения температуры и давления.
Топливные элементы вырабатывают постоянный ток низкого напряжения (1-1, 1 В), обеспечивают довольно высокий КПД 70% (по сравнению с тепловыми машинами), работают бесшумно и не выделяют вредных продуктов. Топливные элементы использовались в космических кораблях «Джемини» и «Апполон».
6. Коррозия
Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения металлов под влиянием внешней среды.
Вред, причиняемый коррозией, весьма велик. По имеющимся данным, примерно треть получаемого металла выбывает из технического употребления из-за коррозии.
|
|
|
В процессе коррозии происходит переход из металлического состояния в ионное. Коррозия – самопроизвольный процесс, сопровождается уменьшением свободной энергии (Δ G< 0), увеличением энтропии системы и определенным энергетическим эффектом.
В некоторых случаях коррозия поражает всю поверхность, в других – часть ее. Характер разрушения зависит от свойств металла и условий протекания процесса. На рис. 7 представлены различные виды коррозийных разрушений: равномерное (а), пятнами (б), точечное (в), питтинг (г), межкристаллитное (д), растрескивающее (Е), селективное (Ж). Наиболее опасными являеются питтинг и межкристаллитное разрушения.
 |
Рис. 7. Виды коррозийный разрушений
По принципу их протекания все коррозийные процессы принято подразделять на: химические и электрохимические.
|
|
|
