Гальванические элементы

Гальванические элементы – это устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую. Гальванические элементы – это источники тока, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Поэтому ГЭ – это первичные элементы, или ХИТ одноразового действия.

Активные компоненты закладываются в них заранее, и срок работы ГЭ определяется запасом активных компонентов. После расхода активных компонентов ГЭ выходит из строя.

Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух гальванических полуэлементов (гальванических пар). Принцип работы ГЭ рассмотрен в разделе на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Якоби-Даниэля).

Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь.

ЭДС (электродвижущая сила) ГЭ равна разности потенциалов электродов (катода и анода):

E_э = j_К - j_А.

Величину ЭДС ГЭ можно рассчитать по известному значению энергии Гиббса токообразующей реакции по формуле:

,

где F - число Фарадея, F = 96500 Кл/моль;

DG - изменение энергии Гиббса токообразующей реакции;

n - число электронов, участвующих в электрохимическом процессе на электродах.

Напряжение элемента U меньше ЭДС из-за поляризации электродов и омических потерь:

U = E_э - I× (R₁ - R₂) - DE,

где E_э - ЭДС элемента;

I - сила тока;

R₁ и R₂ - сопротивление проводников первого и второго рода внутри элемента;

DE - поляризация элемента, равная сумме катодной и анодной поляризаций.

Таким образом, работающий ГЭ дает разность потенциалов меньше, чем ЭДС, и это уменьшение зависит от величины разрядного тока. Чем больше сила тока ГЭ, тем меньше напряжение элемента и тем ниже его КПД. По мере работы элемента (разряда) уменьшается концентрация исходных реагентов и растет концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением Нернста ЭДС элемента уменьшается. Кроме того, возрастает поляризация элемента - разность потенциалов, препятствующая прохождению электрического тока. Поэтому при разряде элемента напряжение его постепенно падает. Чем меньше меняется напряжение элемента, тем больше возможностей его применения.

Емкость элемента - это количество энергии, которую источник тока может запасти или отдать при разряде.

Энергию элемента, которую он отдает во внешнюю цепь, работая соответственно при постоянном токе I (A_I) или постоянном сопротивлении R (A_R) можно определить по формулам:

,

где U_ср. - среднее напряжение при разряде элемента;

t - время разряда элемента.

Важной характеристикой элемента служит удельная энергия, т.е. энергия, отнесенная к единице массы или объема элемента. Так как при увеличении тока напряжение элемента падает, то энергия и удельная энергия элемента тоже падают. Более высокую удельную энергию можно получить в элементах с большим значением ЭДС, малой поляризацией и высокими степенями превращения реагентов.

Так как клеммовое напряжение одного ГЭ невелико, то обычно их последовательно соединяют друг с другом в батарею элементов. Для увеличения тока ГЭ соединяют в батарею параллельно. В табл. 2 приведены параметры наиболее широко распространенных гальванических элементов.

Таблица 2