Ижевск 2019 Кафедра Химия и химическая технология Курс Основы электрохимии в

накопителям энергии»
Автор Семакина Надежда Владимировна, к.т.н., доцент

Кинетика электродных процессов. Поляризация.

Тема 3. Процессы превращения электрической энергии в

химическую.

Тема 4. Конденсаторы.

«Основы электрохимии в применении
к накопителям энергии»
Автор Семакина Н.В., к.т.н.,

доцент

элементы

Топливные элементы

Аккумуляторы

Поляризация и перенапряжение

форм энергии (электрохимические процессы).
Электрохимия

химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию

движения ионов в кристаллических решетках твёрдых электролитов.

Примеры электролитов: водные растворы кислот, солей и оснований и некоторые кристаллы (например, иодид

серебра, диоксид циркония).

Электролиты – проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов.

Электролиты являются важной частью химических источников тока: гальванических элементов и аккумуляторов. Электролит участвует в химических реакциях окисления и восстановления с электродами, благодаря чему возникает ЭДС.

В источниках тока электролит может находиться в жидком состоянии (обычно это – водный раствор), или загущённым до состояния геля.

контакте с ионным проводником – электролитом (ионной жидкостью, ионизированным газом, твёрдым электролитом).

Важнейшей характеристикой электродов является электродный

потенциал, устанавливающийся на границе электрод/электролит.

В электрохимии – это часть электрохимической системы, включающая в себя проводник и окружающий его раствор (например, водородный электрод, хлорсеребряный электрод, электрод сравнения, стеклянный электрод).

Системы двух различных электродов могут использоваться как химические источники тока, а при пропускании через такие системы постоянного тока – в качестве электролизеров.

Электрод

окисление
Если металл неактивный (Cu, Ag), происходит восстановле-ние ионов металла из

раствора электролита

Величину электродного потенциала нельзя ни измерить, ни рассчитать

ДЭС ДЭС

электродвижущей силы – разности потенциалов между данным полуэлементом и так

называемым электродом сравнения – стандартным водородным электродом

стандартного водородного электрода (расположен слева) и данного электрода (расположен справа).
Если

активности (концентрации) ионов равны единице, этот потенциал называют стандартным

Стандартная ЭДС:

Pt, H2| H+ || Men+| Me

– стандартный

электродный потенциал;
R – молярная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль К;
T – абсолютная температура;
F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль;
n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе;
и – активности окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в электродной реакции.

К), F (96500 Кл/моль), стандартной температуры Т (250C = 298

К) и переходе к десятичным логарифмам :

первого рода
Восстановленная форма (Red) – металл электрода; окисленная (Ox) -

ионы этого металла

Для чистых твердых и жидких веществ = 1

В разбавленных растворах активность равна молярной концентрации :
a = (моль/л).

Упрощенное уравнение Нернста:

Cu2+ + 2e = Cu0

погруженного в раствор, содержащий анионы этой соли
Хлорсеребряный электрод: Ag

| AgCl | Cl-

Уравнение реакции, протекающей на электроде:

AgCl + e = Ag0 + Cl-

а является переносчиком электронов между окисленной (Ox) и восстановленной (Red)

формами вещества.

Fe3+ + e = Fe2+

Pt |Ox, Red

Схема электрода:

Электродная реакция:

и раствором, содержащим ионы этого газа.
Восстановленная форма – газ, окисленная

– ионы в растворе

Водородный электрод Pt, H2|H+

Электродная реакция:

Зависимость электродного потенциала от рН среды (для идеальных газов a = p(бар)):

нейтральной и щелочной средах:
Зависимость электродного потенциала от рН:

помощью солевого мостика
Гальванический элемент
Схема элемента
Даниэля – Якоби
Анод

(-) – это электрод с меньшим значением электродного потенциала. На аноде происходит процесс окисления.

Катод (+) – электрод с большим значением электродного потенциала. На катоде идет процесс восстановления.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента – это максимальная разность потенциалов на концах равновесной электрохимической цепи:

где – электродный потенциал пары, выступающей в качестве окислителя;
– электродный потенциал пары, выступающей как восстановитель

постоянных температуре (Т) и давлении (р) уменьшение энергии Гиббса

равно электрической работе, которую может совершить гальванический элемент:

Следовательно, окислительно – восстановительный процесс возможен, если

Электродвижущая сила гальванического элемента

Максимальная разность потенциалов на концах равновесной электрохимической цепи:

где – электродный потенциал пары, выступающей в качестве окислителя;
– электродный потенциал пары, выступающей как восстановитель

электродных потенциалов:
4. Расчет ЭДС:
А – Zn; K – Cu

Zn2+ + Сu
или Zn + СuSО4 = ZnSО4 +

Сu

А (-): Zn 0 - 2ē  Zn 2+ (окисление )
К (+): Сu 2+ + 2ē  Сu 0 (восстановление)

Уравнение токообразующей реакции:

Схема медно-цинкового гальванического элемента:

(-) Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu (+)

или в ионной форме:

(-) Zn|Zn2+||Cu2+|Cu (+)

может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит

от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов, в виде уравнения Нернста.

Емкость элемента – это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Емкость зависит от массы запасенных в источнике реагентов и степени их превращения, снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.

Энергия гальванического элемента численно равна произведению его емкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.

Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.

Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно

и раздельно подаются к электродам.

В процессе работы топливного элемента электроды не расходуются.

Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4) в жидком или газообразном состоянии.

Окислителем обычно является кислород воздуха или чистый.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) 

Коэффициент использования топлива составляет свыше 80%.
А(-):
К(+):
Электродные процессы:
Окислитель: кислород
Восстановитель (топливо):

водород

Н2 и О2 пропускают через пористые угольные электроды с нанесенным катализатором (мелкодисперсная Pt).
Электролит – 30-40%-ный водный раствор КОН

металлы).
Электролит – твердая полимерная мембрана, которая в водном растворе пропускает

протоны, но не проводит электрического тока.


Суммарная реакция:

«Лэти»., 2010.  – 288 с.
Основные типы топливных элементов (ТЭ)

O2-. Электролитом служит тонкий слой керамического материала, проводящего ионы O2-.

Керамика представляет собой наноструктурированный композит на основе металлического никеля и оксида циркония, легированного оксидом иттрия (Ni – ZrO2 (Y2O3). В композите ZrO2(Y2O3) служит для транспорта ионов O2-, а металлический Ni необходим для отвода электронов и, в некоторой степени, для атомизации молекулярного водорода. Он также должен находиться в высокодисперсной форме для увеличения реакционной поверхности.

Композит представляет собой пористый материал, который содержит упаковку ажурных горизонтальных трубок из диоксида циркония с внутренним диаметром и толщиной стенок 3–5 нм, свободно пропускающих газообразный водород и начиненных нанокластерами металлического никеля.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

в ионы, которые проходят через композит и участвуют в окислении

молекулярного водорода до воды:






Выделяющиеся электроны поступают во внешнюю цепь, что и создает электрический ток.
Твердооксидные элементы работают при температуре от 600 до 1000 °C – это самая высокая температура среди всех химических источников тока.
Их КПД также один из самых высоких – около 60 %.
Пригодны для использования в крупномасштабных источниках тока. Доля – 4 %.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

Быстрая кинетика электродных процессов
Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

устройства, совершенствование разделительных мембран, наноструктурированных электродов, использование нанокатализаторов.

элементов.

В 2013 году их было произведено на 18 миллиардов

долл. США.

В Европе в 2010 году было произведено топливных элементов на 1 миллиард евро,
а в 2020 году производство планируется увеличить более чем в 20 раз (21,5 миллиардов евро).

Такой рост производства топливных элементов связан с переходом в европейском и мировом автопроме от бензиновых и дизельных двигателей на электро-, гибридные и водородные двигатели.

Нанотехнологии в современной энергетике и в энергетике будущего (производство энергии)

http://www.rusnor.org/pubs/reviews/12800.htm

реакции превращения химической энергии в электрическую и электрической энергии в

химическую.

Важным параметром электрохимических реакций является электродный потенциал, зависящий от природы реакции, температуры, активности ионов и парциального давления газообразных реагентов и продуктов реакции.

В гальваническом элементе окислительно-восстановительная реакция может самопроизвольно протекать в таком направлении, при котором электрохимическая система с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, т.е. восстанавливается.

Коровин Н.В. Общая химия: учебник техн. напр. и спец. вузов.

– 12-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2010. – 557 с.

3. Еремин В.В. Общая и физическая химия лекция (курс лекций) [2007, PDF, RUS]. http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=3344654

4. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д.Третьякова. Т. 2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А.Дроздов, В.П.Зломанов, Г.Н.Мазо, Ф.М.Спиридонов. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. -368 с.

5. Основы водородной энергетики/ Под ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «Лэти»., 2010.  – 288 с.

Владимировна, 2018
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ