Газовые элементы и аккумуляторы

 

Газовые элементы и аккумуляторы

А. Пресняков


Современная техника требует большого количества переносных источников электрической энергии. Они должны быть легкими, просты­ми в недорогими. Попытки найти но­вые пути в решении этого вопроса всегда вызывали интерес.

Могут быть, например, созданы такие химические источники элек­трической энергии, в которых в ре* акциях участвуют не твердые веще­ства, а газы.

Каковы же основные особенности газовых элементов и аккумуляторов? Можно ли обыкновенный кислотный свинцовый аккумулятор назвать газовым?

При зарядке на катоде свинцового аккумулятора выделяется водород, восстанавливающий окислы свинца в чистый свинец. На аноде выде­ляется кислород, окисляющий при заряде свинец пластины аккумулято­ра в двуокись свинца. Газы здесь играют только вспомогательную роль и при отключении аккумуля­тора от источника тока тут же уле­тучиваются.

В газовых же аккумуляторах н элементах во время зарядки обра­зуются н длительное время сохра­няются запасы газов, взаимодей­ствующих между собой при разряд- ке,— они являются активными веще­ствами. Сами электроды в электро­химических процессах не участвуют, Пластины в газовом аккумуляторе и в газовой элементе являются носи­телями для активных веществ — га­зов. В этом основное отличие газо­вых аккумуляторов н элементов от источников тока других типов.

Газовые гальванические элементы были созданы больше века назад, но не получили до сих пор практиче­ского применения. Объясняется это тем, что при обычной температуре газы находятся в молекулярном со­стояния, в котором они в реакцию не вступают. Таким образом, задача создания элемента сводится к тому, чтобы найти способ разложения мо­лекулярных газов в атомарные, так как только в атомарном состоянии газы становятся химически активны­ми. Решить эту задачу можно дву­мя путями: применением катализа-торов (веществ, ускоряющих хими­ческие процессы) и нагреванием га­зов до высокой температуры. В пер­вом газовом гальваническом элемен­те был применен активный катали­затор— губчатая платина.

Необходимость применения плати­ны или других катализаторов из ценных материалов, а также сложность конструкций являлись основ­ными препятствиями в развитии так называемых холодных газовых элементов. Тепловые газовые элементы также не получили распространенна из-за сложности изготовления и эксплуатации и  пока что не вышли  из


 

стен лабораторий.

В отличие от газовых гальваниче-ских элементов в газовом аккумуля­торе атомарные газы создаются по­средством электролиза во время за­рядки аккумулятора. В качестве электродов используются пластины из активированного угля, обладаю­щего большой адсорбционной, т. е. поглотительной, способностью.

В активированном угле имеются поры, невидимые даже в микроскоп, Такие ультрапоры и способствуют поглотительным процессам. Доста­точно сказать, что суммарная по­верхность пор в одном грамме акти­вированного угля достигает тысячи квадратных метров.

Так как газы обладают различны­ми электрическими потенциалами, то для того, чтобы получить большую емкость аккумулятора, нужно подо­брать такие газы, которые давали бы большую разность потенциалов н хорошо поглощались бы адсорбентами (в данном случае активирован­ным углем).

Простейший газовый   аккумулятор

состоит из двух пластин, сделанных из активированного угля и помешен­ных в банку с 15-процентным ра­створом хлористого натрия (пова­ренная соль, одна столовая ложка на стакан воды). При зарядке акку­мулятора происходит электролиз ра­створа хлористого натрия, в резуль­тате чего отрицательный электрод насыщается водородом, а положи­тельный — хлором. Напряжение на зажимах такого аккумулятора со­ставляет 2,5 в. При эксплуатации аккумулятора электролит следует периодически менять, так как в нем скапливается едкий натр, получаю­щийся при разложении соли.

В газовых аккумуляторах в каче­стве электролита можно применять и другие растворы (солей, кислот, щелочей), но тогда при электролизе во время заряда на электродах бу­дут выделяться и другие газы, В за­висимости от того, какие газы ис­пользуются в качестве активных ве-тцеств, напряжение на зажимах аккумулятора будет различно. Так, например, пара водород - кислород (при очень слабом растворе серной кислоты или щелочи в качестве электролита) дает 2 в. Водород и углекислый газ (электролит — ра­створ питьевой соды) дают 1,3 в. Хорошие результаты дает пара хлор —сернистый газ, так как эти


газы хорошо удерживаются активированным углем. Трудность при при­менении этой пары газов состоит в том, что в аккумуляторе прихо­дится производить электролиз двух электролитов. Простейший газовый аккумулятор, использующий пару хлор — сернистый газ, собирается следующим образом. В отдельных банках путем электролиза два электрода из активированного угля насыщаются газом: один хлором, другой - сернистым газом. Хлор С1 собирается в одной отдельной банке на угольном электроде при разложении хлористого натрия (поваренной соли), а сернистый газ SO2 в дру­гой банке при электролизе серни­стого натрия. Затем угольные насы­щенные газон пластины помещают­ся в общий сосуд, залитый электро­литом, которым служит раствор хло­ристого натрия. Сернистый газ в газовом аккумуляторе — от­рицательного потенциала, а хлор положительного. Такой аккумулятор дает напряжение около 1 в. Следует отметить, что сернистый газ погло щается активированным углем в гро- мадном количестве и долго сохра­няется в его порах. Хлор же, как показал опыт, держится слабее. По­этому, если к сернистому газу по­добрать такой же стойкий газ, то емкость газового аккумулятора мож- но будет увеличить в десятки раз.

Конструктивно  при   использовании

пары хлор — сернистый газ газовый аккумулятор с двумя электролитами выполняется так. В основной сосуд (рис, 1, а), содержащий раствор 5 поваренной соли, помешается второй сосуд 4, меньший по размеру, в ко- торый налит раствор 6 сернистого натрия. Стенки второго сосуда имеют пористую структуру, не ме­шающую движению ионов, но пре­пятствующую смешиванию двух электролитов. Во время зарядки (рис. 1,6) оба газонесущих элек­трода 2 должны быть подключены К положительным зажимам источни­ка тока. Поэтому в каждый сосуд вводятся дополнительные угольные отрицательные электроды 3. Цель нагрузки при разряде (рис. 1,б)

подключается только к основным га-зонесущим  электродам.

Пластины 2 можно прессовать из порошка активированного угля. К верхнему краю такой пластины, имеющей вид галеты, прикладывают твердую графитовую пластину для отвода тока, затем стягивают их


вместе нитками. Пластину номе- щают в мешочек на ткани в плот­но снова обматывают нитками. Со­суд, где располагаются пластины, иногда заполняется мелкой крошкой асбеста- После заполнения асбестом в сосуд заливается электролит — получается полусухой аккумулятор.

Пластины аккумулятора можно изготовить также из твердых графи­товых пластин, в которых просвер­ливаются сквозные отверстия. Поме­щенные в мешочки пластины засы­пают порошком или гранулами (зер­нами) активированного угля н вкла­дывают в мешочки. Мешочки плот­но обматывают нитками, вследствие чего конструкция получается жесткой, а электрический контакт активной массы с пластинкой надежным. Вме-


сто пластин можно применять н угольные стержни, но так как по­верхность стержней меньше поверх­ности пластин, разрядный ток акку­мулятора в этом случае уменьшается.

Для изготовления мешочков, в ко­торые помешаются пластины, при­меняется как простая хлопчатобу­мажная ткань, так и кислотоупор­ная ткань «хлорин». В первом слу- чае в аккумуляторе можно приме­нять только слабые электролиты, на-пример раствор поваренной соли, во втором же более сильные — раствор соляной кислоты или щелочи.

При эксплуатации такого аккуму­лятора выявилось, что дневной свет отрицательно влияет на работу аккумуляторов, так как ускоряет саморазряд. Когда электроды были перемешены из открытого сосуда с прозрачными стенками в темный бачок с крышкой, саморазряд значи­тельно уменьшился.

Понижение температуры сказы­вается положительно на работе аккумулятора. Так, постепенное сни­жение температуры от +20° С до —20° С способствовало повышению емкости и уменьшению саморазряда. Какова же средняя емкость газового аккумулятора? Оказывается, что 50—80 г активированного угля плас тин обеспечивают емкость в один ампер-час.

     Зарядка газового аккумулятора ве­дется так же, как н аккумуляторов других типов; либо от генератора по­стоянного тока, либо от сети пере­менного тока посредством селеново-го или купроксного выпрямителей. Зарядку можно производить током силы, определяющейся ве­личиной тока, который могут выдержать контакты аккумулятора.

     Быстрый разряд и даже короткое замыкание не оказывают вредного влияния на прочность н общее со-


стояние     электродов.     Аккумулятор

может длительное время находиться в незаряженном состоянии.

Емкость газового аккумулятора зависит от поглощающих свойств материала его пластин. Наилучшими адсорбирующими свойствами обладает активированный уголь, приго­товленный из косточек урюка. Пер­вые же опыты с моделями газового аккумулятора, в котором только один катод был приготовлен из та­кого угля, дали неожиданные ре­зультаты: мощность аккумулятора увеличилась в два раза, саморазряд уменьшился, разрядный ток увели-чился.

Попытки использовать катализато­ры, которые примешивались в со­став активной массы электродов, не показали явных преимуществ этого способа (в одном случае применял­ся ферросилиций, в другом —ни­кель) .

Представляет интерес эксперимент, проведенный с аккумулятором, в пластины которого был добавлен радиоактивный кобальт. Ионизацион-ная способность газа при введении кобальта несколько возросла, но о практическом применении радио­активных добавок в настоящее вре­мя еще рано говорить.

Газовый аккумулятор не лишен еще многих недостатков: наблюдает­ся самопроизвольное падение напря­жения, саморазряд. Чтобы улучшить условия адсорбции, в электролит вводятся добавки, например борная кислота. Для уменьшения самораз­ряда применяются так называемые отрицательные катализаторы, т. е. вещества, замедляющие течение ре­акций (например, сахар).

На практике газовые аккумулиторы смогут найти применение лишь по­сле устранения указанных недостат­ков.