Элекр энергиясын шоғырландыру: қорғасын – қышқылды батареялар

Электр – энергияның анағұрлым жетілген формасы, сондықтан арзан әрі тиімді әдістерді іздеу барысында оны шоғырландыруға үлкен күш қажет болады. Электр энергиясын жұтатын әрі шығаратын құрылғыны электрлік аккумуляторлық батарея немесе электрлік аккумулятор деп атайды. Бұл атауды энергияны аралық тасымалдаушы құрылғыларға қолдануға болмайды, оның ішінде электорлиздер мен жылу элементінің құрамдастарына. Электрикалық аккумуляторлар барлық фотоэлектрлік және аздаған жел энергетикалық құрылғылардың бөлігі болып табылады; қатынас көліктеріне арналған тиімді аккумуляторларды жасауға жұмыстар жүргізілуде.

Көп электрохимиялық реакциялар қайтымды болғанмен, олардың кейбірі ғана 1-ден 100А-ға дейінгі қуатты – айырымды тоқтарда жүздеген цикл жасайтын аккумулятор жасауға келмейді. Ең көп тарағаны және кең қолданылатыны - қорғасын – қышқылды аккумулятор . Ол 1860 жылы Плантта жасалған.

16.3 – сурет. Қорғасын – қышқылды аккумулятордағы ұяшықтар орналасуының сызбасы. Қуатты тасымалдаушылар берілген разряд реакциясының үдерісінде көрсетілген бағытта R қарсылығы арқылы жүреді. Реакция мен тасымалдаушылардың қозғалыс бағыты қуатталу барысында керіге өзгереді(S₁ қосқышы – ашық, S₂ - жабық).

Мұндай аккумулятор 16.3 – суретте көрсетілген сызбадағы жеке элементтерден жиналады. Кез келген электрохимиялық элементтегі сияқты мұнда еріткіш – электролит өткізгіште орналасқан екі пластика – электрод болады. Қорғасын – қышқылды аккумулятор жағдайында электродтар тор түрінде болады, ұяшықтар қорғасыннан жасалған пастамен және қорғасынның диоксиімен толтырылған. Электролит ретінде күкірт қышқылы қолданылады, ол келесідей түрде беріледі:

(16.9)

Кері электродта қуатталу үдерісі кезінде мына реакция жүреді:

(16.10)

Қорғасын сульфаты түрінде сақталған ²⁺ -ке дейін қышқылданады. Сульфат электрод ұяшығындағы қорғасын пастасының орнын басады. Бұл реакциядан босанған электрондар оң электродтың сыртқы тізбегіне байланысады, сөйтіп реакцияға түседі:

(16.11).

Түзілген оң электродта –ні ұқсас түрде орнын баса тұрады. Электролиттегі электр тоғы ионымен және күкірт қышқылымен ұсталып тұрады, сөйтіп олар электродтар реакциясына қатысады.

Реакцияның жүру барысы мен сәйкес электродтық потенциалын біле отырып(олар химимялық анықтамаларда берілген), кез келген типті аккумуляторда қорланатын энергияның тығыздығын табуға болады.

16.2 – мысалы. Қорғасын – қышқылды аккумулятор энергиясының теоретикалық тығыздығы. (16.9) және (16.10) реакциялары 2 моль электронды ауыстыру мынаны қажет етеді:

1 моль Pb …………………………………………………. 207 г

1 моль PbO₂ .................................................. 239 г

2 моля H₂SO₄ ............................................... 196 г

Барлық белсенді материал – 642 г. Бірақ 2 моль электрон (2 моль) болатын қуатқа ие. – ке арналған қалыпты электродтық потенциал 0,30В-қа тең, ал үшін потенциал – 1,62В. Осылай, ЭДС элементінің

теоретикалық мәні 0,3- (-1,62)=1,92В, ал PbO₂ енгізілген электрод оң болып есептеледі(беліглер жайлы халықаралық келісімге сәйкес).

Нақты ЭДС ұяшықтары реагенттердің концентрациясына тәуелді және ол қалыпты электрохимиялық әдістер арқылы анықталуы мүмкін. Тоқтың төменгі тығыздығында жұмыс істейтін ұяшықтағы кернеу теоретикалықтан бірнеше пайызға ғана өзгереді(16.4-сурет). Қорғасын – қышқылды аккумулятордың жеке элементтерінің қалыпты кернеуі 2В. Сондықтан 2 моль электронның орнын ауыстыру үшін істелетін жұмыс мынаған тең:

Ал 1 кг белсенді заттарда қорланған энергия мынаған тең:

16.4 – сурет. Типтік қорғасын-қышқылды аккумулятордың жұмыс істеу сипаты(номиналды сиымдылығы 100А*с). Қуат. Қисықтар «толық»қуатталу(тұрақты) кезіндегі белгілі тоқ разрядтарына сәйкес(а). Қуат. Тоқтың тұрақты төмен мәніндегі қуат қисығы(б):Е₁ - қордағы энергияны қолдану пайызы; Е₂ – қордағы энергия; V – ЭДС ұяшықтар.

Өкінішке орай, кез келген нақты аккумуляторда қорланатын энергияның тығыздығы -ның теоретикалық тығыздығынан көп төмен. Себебі барлық құрылымның массасын есепке алу керек. Көптеген коммерциялық аккумуляторларда болады, алайда анағұрлым сапалы(әрі қымбат) үлгілерде бұл шама - ке дейін жетуі мүмкін.

Спецификалық жағдайда қорғасын -қышқылды аккумулятордағы теоретикалық энергия тығыздығының шамасынан осыншама үлкен ауытқуының негізгі себебі: 1) нақты аккумуляторда белсенді емес заттар міндетті түрде болады, мысалы, корпус, сепараторлар(электродтар арасындағы қысқа тұйықталудың алдын алады),қышқыл еритін су(қышқылдың концентрациясы тым үлкен болмауы керек, себебі аккумулятор өзімен өзін қуаттандырады), осының себебінен белсенді заттардың ғана массасын есептейтін энергияның тығыздығы теоретикалықтан төмен болып шығады;2) аккумулятордағы реакция соңына дейін толық жүруіне мүмкіндік бермеу керек. Егер барлық қорғасын (16.10) реакциясына түссе, онда қайтымды реакция жүретін электрод болмай қалады, яғни аккумулятор циклмен жұмыс істей алмайды. Осыған ұқсас концентрациясының тым төмен деңгейге құлап кетуіне жол бермеу керек: электролит қажетті өткізгіштік қасиетінен айрылады. Практикада аккумулятор қуатын қорланған энергиядан 50%-дан артық қылмау қажет, әйтпесе ол бұзылады. Мұндай қуатты «терең қуат» деп атайды.

Төменде сипатталған нақты аккумуляторға тән шектеулер барлық автокөлік иелеріне таныс: олар бұған дейін жетпеуге тырысады. Қатты Pb –ның тығыздығы қуатталудың (16.10) реакциясына қатысатын -ке қарағанда 2 есе үлкен. Осының себебінен -тің криссталына алғашында Pb пастасымен толтырылған теріс электродта орын алу қиын болады. Практикада –тің кейбір мөлшері әрбір қуатталған кезде аккумулятордың түбіне тұнып қалады. Бұл белсенді заттардың орны толмас шығына алып келеді. Бұл шығын терең қуатталғанда мүлдем көбейеді. Осылай, аккумуляторды қуат алмайтын жағдайға тез жеткізуге болады.

Дұрыс пайдаланылып жүрген аккумулятордың да қолданылу мерзімін азайтатын тағы бір маңызды фактор – оң электродта өзін өзі қуаттауы. Бұл әсіресе тасымалдаушы көліктердің аккумуляторына тән, себебі олардың электродтарының торы таза қорғасыннан емес, жүрген кезде механиикалық жүкті жақсы қабылдайтын сүрменің қорытпасынан жасалады. Өкінішке орай, сүрменің болуы айтарлықтай ақырын жүретін мына реакцияны туғызады:

Ол аккумуляторға арналған белсенді заттарды мүлдем жояды.

Тұрақты қолданылатын аккумуляторларда(мысалы, фотоэлектрлік жарықтандырғыш жүйеде) электродтарды сүрмесіз – ақ қолдануға болады, ол шектен тыс қуатталу болмаған жағдайда аккумулятордың жұмыс істеу уақытын 7 жылға дейін ұзартады.

Аккумулятордың жұмыс істеу қабілеттілігі тол қуаттанатын тоқтың мәніне және оның тұрақты қуатталу тереңдігіне байланысты. 16.4 – суретте көлікке арналған қарапайым қорғасын – қышқылды аккумулятордың сипаттамасы берілген. Оның нақты сыйымдылығы Q₂₀=A*с, тұрақты тоқта 20 сағат тұрған соң электр энергиясы қуатталу үрдісінен алынып тасталса да болады. 60%-ға дейінгі қуатталуда Q₂₀ –дан бастап аккумулятор элементтеріндегі кернеу болмашы азайып отырады: 2,07-ден 1,97-ге дейін. Егер осы аккумуляторды 1 сағат қуаттаса, ондағы кернеу тез төмендейді, ал одан алынып тасталатын толық қуат 0,5Q-ге дейін кемиді. Бұл электродтағы реакция жылдамдығы реагенттердің диффузиясы әсерінен төмендеуіне байланысты, себебі олар үдерісте байланысқа түседі. Реакция өнімдерінің(әсіресе PbSO₄) тез түзілуі бұл байланысты тежеуі мүмкін. Нақтырақ айтқанда, PbSO₄ қабатының ішкі қарсыласуы элементті дамытатын кернеуді азайтады.

16.4 - суретте тура сол аккумулятордың қуатталуы сипатталған. Қуаттауды бастау үшін элементке 2,1В кем емес ЭДС әкелу керек. Қуаттың мөлшеріне байланысты элементтегі кернеу ақырындап көтеріледі, содан кейін жоғарыға кенет секіріс жасайды, 2,6В шамасында. Бұл толық қуаттың айналасында тұрақты қуаттаушы тоқпен жұмыс істеген кезде болады. Кернеудің көтерілуі элементтегі электролиздің басталуымен байланысты. Элементтегі шектен тыс қуатталу кезінде Н₂-нің қомақты мөлшері түзілуі мүмкін, ол өз кезегінде аккумулятордың бұзылуына әкеледі. Бұнымен бірге қышқылдың концентрациясы электролиттегі иондардың қозғалыссыз қалуына әсер ететіндей деңгейге көтеріліп, аккумулятор істен шығуы мүмкін. Бұл белсенді емес құбылыстың алдын қуаттауды тұрақты кернеуде ұстап тұру арқылы алуға болады.

Отын элементтері

Отын элементтері отынның химиялық энергиясын жанудың аралық сатысына тоқтамай, тікелей электрлікке айналдырады. Мұнда жылу – жұмыс түрөзгерісі болмағандықтан, отын элементтерінің тиімділігі термодинамиканың екінші заңы бойынша шектеуге түспейді(қарапайым отын – жылу – жұмыс – электр энергиясы жүйелері сияқты). Химиялық энергияның электр энергиясына айналуының теоретикалық КПД – сы 100%-ға жетуі мүмкін. Жоғарыда аталып өткендей(§16.5), отын элементтері шоғырландырушы құралдарға жатпайды. Бірақ бұл жерде оларды электрлік аккумуляторға ұқсастығы үшін және олардың көмегімен сутегіні қолдану мүмкіндігіне байланысты қарастыруға болады(§16.3). Сондықтан біз басқа типті құрылғылар бар болғанына қарамастан сутегімен жұмыс істейтін отын элементтерін ғана сипаттаймыз.

16.5 – сурет. Отын элементтерінің сызбасы. Сутегі мен оттегін байланыстыру нәтижесінде су және электр энергиясы түзіледі. Қуыс элементтер сутегінің иондарын өткізеді.

Отын элементінде де аккумуляторға ұқсас электрондарды емес , иондарды тасымалдайтын электролиттермен бөлінген екі электрод болады. Сутегі(немесе басқа түрөзгеруші компонент) теріс элементке бірігеді, ал оттегі(немесе ауа) оң элементке ұмтылады(16.5 - сурет). Катализ нәтижесінде қуыс анодтағы сутегі молекулалары сутегі иондарына және электрондарға бөлінеді. Н⁺ ионы электролит(әдетте қышқылдар) арқылы катодқа ұмтылады, сонда сыртқы тізбек арқылы түсетін электрондармен және оттегімен байланысып, су түзеді.

Нақты отын элементінің тиімділігі теоретикалықтан 100%-ға кем, себебі электрлік аккумуляторлардағы жағдаймен бірдей. Бірақ бұл көлем – химиялық энергияның электр энергиясына өзгеруінің мүмкін көлемі(40%). Ол отын элементі толық қуатпен жұмыс істеп тұр ма,жоқ па оған назар аудармайды(дизельдік қозғалтқыштар мен газ турбинасынан айырмашылығы).

Ірі масштабтағы отын элементтері көп үнем жасамайды. Себебі батареяда байланысқан жеке отын элементтерінде тура сондай КПД бар. Осыған байланысты күші 100 кВт-қа жететін аймақтық мәні бар салыстырмалы түрде үлкен емес станция тұрғызған дұрысырақ. Жеке ғимаратты отын элементтерін пайдалана отырып электр энергиясымен де, жылумен де(ол отын элементтері жұмыс істеген кезде түзіледі) қамтамасыз ету мүмкін болады, сонымен қатар оған әдетте жылытуға ғана кететін отын көлемін жұмсауға болады. Отын элементтерінің кең қолданылмай жүрген себебі олардың құнының қымбаттығы(2000долл/кВт).