Как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор и зачем это вообще нужно? Наши современные устройства работают благодаря наличию источников автономного питания. И не важно, что это за приспособления: электрические смартфоны или ноутбуки. Именно поэтому так важно знать ответ на вопрос о том, как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор.

Немного о том, что такое аккумулятор литиево-ионного типа

Источники автономного питания, которые применяются в современных смартфонах и других устройствах, принято подразделять на несколько разных групп. Их достаточно много. Взять те же Но именно в портативной технике, то есть в смартфонах и ноутбуках, чаще всего устанавливают батареи литиево-ионного типа (английское обозначение Li-Ion). Причины, которые привели к этому, имеют разную природу.

Плюсы этих видов аккумуляторов

В первую очередь следует отметить то, насколько просто и дешево обходится производство этих источников энергии. Дополнительными преимуществами их являются превосходные характеристики эксплуатации. Саморазрядные потери составляют очень малый показатель, и это тоже сыграло свою роль. А вот запас циклов для зарядки и разрядки очень и очень большой. Вкупе все это делает литиево-ионные аккумуляторы лидерами среди остальных аналогичных устройств именно в сфере применения их в смартфонах и ноутбуках. Хотя исключения из правил существуют, они составляют порядка 10 процентов от общего числа случаев. Именно поэтому множество пользователей задает вопрос о том, как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор.

Важные и интересные факты

Аккумулятор для смартфона имеет свои специфические особенности. Поэтому нужно знать определенные правила и быть ознакомленным с соответствующими инструкциями еще до того, как начинать заниматься процессом принудительной зарядки или разрядки. Следует отметить в первую очередь, что большинство аккумуляторов такого типа специально оснащают дополнительным устройством контроля. Его применение обусловлено необходимостью удержания заряда на определенном уровне (который также называют критическим). Таким образом, устройство контроля, встроенное, в том числе, и в аккумулятор для смартфона, не дает нам переступить ту роковую черту, после которой батарея просто-напросто “сдохнет”, как любят выражаться специалисты-сервисники. С точки зрения физики, все выглядит следующим образом: при обратном процессе (критическая разрядка) напряжение литий-ионного аккумулятора просто падает к нулю. Параллельно блокируется поступление тока.

Как правильно заряжать цифровую технику на основе этого источника автономной работы

Если ваш смартфон работает за счет литиево-ионного аккумулятора, то само устройство необходимо ставить на зарядку, когда показатель батареи высветит примерно такие цифры: 10-20 процентов. То же самое справедливо и для фаблетов, и для планшетных компьютеров. Это есть краткий ответ на вопрос о том, как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор. Следует добавить, что даже при достижении 100-процентного номинального заряда устройство нужно держать подключенным к электрической сети в течение еще одного-двух часов. Дело в том, что аппараты неверно интерпретируют зарядку, и 100 процентов, которое выдает смартфон или планшет, по факту есть не более 70-80 процентов.

Если ваш аппарат оснащен литиево-ионным аккумулятором, вы должны знать некоторые тонкости его работы. Это будет очень полезно в будущем, поскольку, следуя им, вы сможете продлить срок службы не только этого элемента, но и всего устройства в целом. Так вот, запомните, один раз в три месяца нужно проводить полную разрядку аппарата. Делается это в профилактических целях.

А вот о том, как заряжать разряженный аккумулятор, мы поговорим позднее. Сейчас же просто укажем, что стационарный компьютер и ноутбук не способны обеспечить достаточно высокое напряжение при подключении мобильного аппарата к этим чудесам техники посредством порта стандарта USB. Соответственно, для того чтобы полностью зарядить аппарат от этих источников, потребуется большее количество времени. Интересно то, что срок службы литиево-ионного аккумулятора может продлить одна методика. Она заключается в чередовании циклов зарядки. То есть, один раз вы заряжаете устройство полностью, на все 100 процентов, второй раз - не полностью (80 - 90 процентов). И вот эти два варианта чередуются по очереди. В таком случае можно использовать для литий-ионных аккумуляторов.

Правила использования

В общем-то, литиево-ионные источники питания можно назвать неприхотливыми. Мы уже разговаривали на эту тему и выяснили, что эта характеристика, наряду с другими, стала причиной настолько широкого их распространения в вычислительной технике. Тем не менее, даже столь умная архитектура аккумуляторов не дает полной гарантии их долгосрочной работы. Зависит этот срок в первую очередь от человека. А ведь от нас не требуется делать что-то запредельное. Если пять простых правил, которые мы можем запомнить навсегда, применять их успешно. В таком случае литиево-ионный источник питания прослужит вам очень и очень долго.

Правило первое

Оно заключается в том, что не нужно полностью. Уже говорилось о том, что подобную процедуру следует проводить только один раз в три месяца. Современные конструкции этих источников питания не несут в себе “эффекта памяти”. Собственно, поэтому лучше успеть поставить аппарат на зарядку еще до того, как он полностью “сядет”. Кстати, весьма примечателен тот факт, что некоторые производители соответствующей продукции измеряют срок службы изделий в количествах циклов. Продукция высшего класса способна “пережить” порядка шести сотен циклов.

Правило второе

Оно гласит, что мобильному устройству нужна полная разрядка. Ее следует осуществлять раз в три месяца в целях профилактики. Напротив, нерегулярная и нестабильная зарядка способна сдвинуть номинальные отметки минимального и максимального заряда. Таким образом, аппарат, в который встроен этот источник автономной работы, начинает получить неправдивые сведения о том, сколько на самом деле осталось энергии. А это, в свою очередь, приводит к неправильным расчетам энергопотребления.

Профилактическая разрядка призвана предотвратить это. Когда она произойдет, схема управления автоматически обнулит минимальное значение заряда. Однако тут есть свои хитрости. Например, после полной разрядки необходимо “забить под завязку” источник питания, продержав его дополнительно порядка 12 часов. Кроме обыкновенной электрической сети и провода, для зарядки нам в этом деле больше ничего не понадобится. Зато работа аккумулятора после профилактической разрядки станет стабильнее, и вы сможете это сразу заметить.

Правило третье

Если вы не используете свой аккумулятор, за его состоянием все равно нужно следить. При этом температура в том помещении, где вы его храните, желательно должна быть не больше и не меньше 15 градусов. Понятно, что достичь ровно такой цифры не всегда получается, но все же, чем меньше отклонение от этого значения, тем будет лучше. Следует отметить, что сам аккумулятор должен быть заряжен на 30-50 процентов. Подобные условия позволят продержать источник питания без серьезного ущерба достаточно долго. Почему же не следует его полностью заряжать? А потому что “забитый под завязку” аккумулятор в силу физических процессов теряет достаточно большую часть своей емкости. Если же источник питания хранится долгое время в разряженном состоянии, то он становится практически бесполезным. И единственное место, где он действительно пригодится, это мусорка. Единственный путь, хоть и маловероятный, это восстановление литий-ионных аккумуляторов.

Правило четвертое

Цена на который попадает в интервал от нескольких сотен до нескольких тысяч рублей, следует заряжать только при помощи оригинальных устройств. Это в меньшей степени относится к мобильным устройствам, поскольку в их комплектацию (если вы покупаете их в официальном магазине) уже включены адаптеры. Но они в этом случае только стабилизируют подаваемое напряжение, а зарядное устройство, по сути дела, уже встроено в ваш девайс. Что, кстати, нельзя сказать о видеокамерах и фотоаппаратах. Именно об этом идет речь, тут использование сторонних устройств при зарядке аккумуляторов может нанести заметный вред.

Правило пятое

Следите за температурой. Литиево-ионные аккумуляторы могут сопротивляться тепловой нагрузке, но перегрев для них губителен. Да и низкие температуры для источника питания - это не самое лучшее, что может быть. Хотя большая опасность исходит именно от процесса перегрева. Помните о том, аккумулятор не должен подвергаться воздействию прямых солнечных лучей. Диапазон температур и их допустимых значений начинается на - 40 градусах и заканчивается на + 50 градусах по шкале Цельсия.

Получение водорода электролизом воды.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% H 2) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных ме­тодов получения водорода . Он обеспечивает получение чистого про­дукта (99,6-99,9 % Н 2) в одну технологическую ступень. Экономика про­цесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85 % .

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значитель­ными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и ра­ботают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении ис­пользования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнер­гетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для даль­нейшего энергетического использования. Если электроэнергию получать за счет наиболее дешевой атомной энергии, то при КПД процесса получения электроэнергии, равном 40 % (в случае быстрых реакторов-размножителей) и КПД процесса получения водорода электролизом даже 80 %, полный КПД электролизного процесса составит 0,8-0,4 = 0,32, или 32 %. Далее, если предположить, что электроэнергия составляет 25 % полного производства энергии, а 40 % электроэнергии расходуется на электролиз, тогда вклад этого источника в общее энергообеспечение составит в лучшем случае 0,25Х X 0,4-0,32 = 0,032, или 3,2%. Следовательно, электролиз воды, как метод получения водорода для энергоснабжения может рассматриваться в строго ограниченных рамках. Однако как метод получения водорода для химиче­ской и металлургической индустрии его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролиз с успехом может быть использован на гидростанциях или в тех случаях, когда тепловые и атомные электростанции имеют избыточные мощности, и получение водорода является средством для использования, хра­нения и накопления энергии. Для этой цели могут быть использованы мощ­ные электролизеры производительностью до 1 млн. м 3 водорода в сутки. На крупном заводе электролиза воды мощностью 450 т/сут и выше рас­ход электроэнергии на 1 м 3 водорода может быть доведен до 4-4,5 кВт-ч. При таком расходе электроэнергии в ряде энергетических ситуаций электро­лиз воды даже в современных условиях сможет стать конкурентоспособным методом получения водорода .

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.

Электролитическое разложение воды.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.

1 Лекция 5 Получение водорода электролизом воды Физико-химические основы электролиза воды Основные типы электролизеров и их характеристики Щелочные электролизеры Электролизеры с твердым полимерным электролитом Твердооксидные электролизеры

2 Физико-химические основы процесса электролиза воды CuSO4 - - - - Cu + + + + + + Электрод: - электронный проводник, погруженный в ионный проводник (раствор электролита, расплав) или соприкасающийся с ним. На межфазной границе раздела электрод - раствор протекают электродные процессы, и устанавливается разность потенциалов - электродный потенциал, значение которого зависит от природы протекающей на поверхности электрода электрохимической реакции. Непосредственно измерить можно только разность электродных потенциалов нескольких электродов. Практическое значение имеют относительные электродные потенциалы, представляющие собой разность электродного потенциала рассматриваемого электрода и электрода сравнения, электродный потенциал которого условно принят равным нулю. Равновесный электродный потенциал: напряжение ячейки, составленной из этого электрода и электрода сравнения, при условии, что на всех фазовых границах ячейки установилось равновесие. Электродный потенциал Е, соответствующий условиям равновесия, связан с изменением энергии Гиббса?G электрохимической реакции, протекающей на электроде (электродной реакции), соотношением (1): z - число электронов, участвующих в электрохимическом равновесии; F-число Фарадея:F=NAe (2)

3 Значение электродного потенциала зависит от концентрации с или активности аМе веществ, участвующих в электрохимическом равновесии. Для металлических электродов (3): R-универсальная газовая постоянная; Т - температура; Е0 - нормальный электродный потенциал, соответствующий электродному потенциалу системы, в которой активность находящихся в электрохимическом равновесии веществ равна единице. Электрод может состоять из нескольких последовательно включенных фаз, и на каждой из межфазных границ может осуществляться какая-то отдельная стадия полной электродной реакции. Поэтому электродную реакцию следует рассматривать как суммарный, итоговый процесс, который слагается из ряда последовательных стадий. Если вместо изменения энергии Гиббса подставить алгебраическую сумму химических потенциалов?i, всех компонентов полной реакции, то ЭДС ячейки (4): где?i-- стехиометрический коэффициент компонента i в суммарной реакции ячейки. Продифференцировав (1) по температуре, получим температурный коэффициент ЭДС ячейки (5):

4 Обратимое выделение или поглощение теплоты в электрохимической ячейке определяется величиной (6): где?H - изменение энтальпии в полной реакции или ее тепловой эффект. Если?H ?G, то в работу превращается больше энергии, чем освобождается при реакции, и ячейка охлаждается. Т.е., выделение или поглощение теплоты при обратимой работе ячейки определяется соотношением (7): С учетом уравнения Гиббса - Гельмгольца (8): и 1, 5, зависимость для энтальпии (теплового эффекта реакции) (9): Зависимость ЭДС ячейки от давления, важная для газовых электродов (из 1), (10): ?V -изменение объема системы при стехиометрическом превращении на 1 моль образовавшегося газа. Пренебрегая изменениями объемов жидких и твердых фаз:

5 для получения 1 м3 (90 г) водорода требуется 805 г воды и 2394 А-ч электричества. Затраченная в этом процессе электроэнергия, кВт-ч, равна произведению количества электричества на падение напряжения на ячейке U(B): Wel=2,394U Теоретическое значение ЭДС ячейки Ет, необходимой для осуществления обратимой реакции разложения воды, определяется соотношением соответствует той части энергии, которую необходимо подвести в виде работы: Тепловой эффект реакции разложения воды – это?H - сумма работы и теплоты, затраченных в процессе. Соответствующее тепловому эффекту напряжение ячейки Еq=?H/zF называется термонейтральным напряжением. Оно равно напряжению ячейки в гипотетическом изобарно-изотермическом обратимом процессе, при котором отсутствует тепломассообмен с внешней средой и вся необходимая для реакции энергия (сумма необходимых теплоты и работы) подводится в виде электроэнергии. Т.к. ?H очень слабо зависит от температуры, Еq практически постоянно и при электролизе воды с учетом теплоты испарения составляет.Е"q=1,481 В, а при электролизе водяного пара Е"q=1,25 В. Доля работы, необходимой для разложения воды, по отношению к полным затратам энергии в электрохимическом процессе? равна отношению Ет/Еq, т.к. Ет для воды с ростом Т уменьшается (при атмосферном давлении dЕт/dТ=-0,25 мВ-К-1) при повышении Т доля теплоты возрастает и при T~5000 К практически вся энергия, необходимая для разложения воды, используется в виде теплоты (?~0).

6 Зависимость Ет и затрат энергии в реакции разложения воды при Р=0,1 МПа (теоретические значения Wтэл и Wттепл найдены как Wтэл = 2,394Ет = 2,394Еq? кВт-ч и Wттепл = 2,394 (Еq – Ет) = 2,394Еq (1 - ?) кВт ч.) В обратимой реакции при электролизе воды наряду с затратами электроэнергии принципиально возможно непосредственное преобразование теплоты, подводимой к ячейке, в химическую энергию топливно-окислительной композиции (водорода и кислорода) в количестве Wттепл.

7 В области (3) Е"q ?U? Е"q при электролизе воды подводимая извне теплота затрачивается на испарение воды, при электролизе пара, выделяющаяся теплота, отдается во внешнюю среду. В области 2 затраты электроэнергии на электролиз меньше низшей теплоты сгорания водорода в кислороде, в области 3 - больше низшей, но меньше высшей. При U>Е"q выделяющаяся в ячейке теплота отдается во внешнюю среду и затраты электроэнергии на производство водорода превышают высшую теплоту сгорания получаемой топливно-окислительной композиции (область 4). Термодинамически более выгодно вести процесс электролиза при высоких температурах и значениях (U, близких к Ет, с подводом теплоты от внешнего источника. При напряжении ячейки U<Ет (обл1) получение водорода из воды электролизом невозможно. При Ет

8 В условиях ЭХ равновесия поверхность электрода в растворе имеет нулевой заряд: скорости разряда ионов и ионизации сбалансированы. Скорости прямой и обратной электродных реакций при равновесном электродном потенциале, выраженные в электрических единицах, называются током обмена. Ток обмена является зависит от активности реагирующих ионов? и анергии активации электродной реакции (14): Iо - стандартный ток обмена (при а=1); а - кажущийся коэффициент переноса ионов в растворе; z-заряд иона; F-число Фарадея; ? - фактический электродный потенциал; ?0 - равновесный электродный потенциал. Величина?? = ? - ? 0 показывает, насколько должен быть удален электродный потенциал от равновесного его значения для обеспечения необходимой скорости реакции разряда или образования ионов I, и называется перенапряжением (поляризацией) электрода. При постоянной активности ионов в растворе (из 14), ?? -линейная функция логарифма I, что выражается известным уравнением Тафеля: ??=A-BlnI где А и В - константы. Константа В -тафелевский наклон (параметр Тафеля), пропорциональна температуре, обратно пропорциональна кажущемуся коэффициенту переноса и определяется процессами в растворе и материалом электрода, но не состоянием его поверхности. Константа А определяется процессами на межфазной границе и в большей степени зависит от материала электрода и состояния его поверхности.

9 Поляризация электродов: возникает из-за конечной скорости разряда или образования ионов (химическая поляризация), влияет на протекание электродных процессов. Концентрационная поляризация??конц: Наблюдается при значительных плотностях тока и продолжительном электролизе. Связана с замедленной скоростью поступления ионов из объема раствора к поверхности электродов, которое осуществляется диффузией через тонкий слой раствора вблизи поверхности. На поверхности электрода в единицу времени нейтрализуется I/zF ионов. С ростом поляризации электрода поток ионов к его поверхности возрастает, так как уменьшается их концентрация на самой поверхности. Это возрастание ограничено предельным током Iпред, который соответствует концентрации ионов на поверхности электрода, равной нулю, т. е. когда все ионы, способные за счет диффузии в единицу времени попасть из объема раствора к поверхности электрода, немедленно разряжаются. Дальнейший рост поляризации электрода уже не приводит к возрастанию I. Предельная плотность тока определяется уравнением (16): где Di - коэффициент диффузии ионов; с - объемная концентрация ионов; ? - толщина диффузионного пограничного слоя; ni - число переноса ионов; КD - константа скорости диффузии.

10 Концентрационная поляризация??k логарифмически зависит от плотности тока (17): С ростом Т КD и Iпред возрастают и??k падает. Перемешивание раствора приводит к уменьшению? и снижению??k. При протекании тока в растворе возникает омическое падение напряжения??ом в электролите и в диафрагме, разделяющей электроды. Кроме того, выделение на электродах газообразных продуктов электролиза в виде пузырьков газа приводит к увеличению удельного сопротивления электролита вблизи электрода и уменьшению площади поверхности контакта электролит - электрод, т. е. к увеличению омических потерь (18): где??ом - омические потери в электролите и пористой диафрагме; ??кат - катодное перенапряжение (суммарное?? определяемое процессами на катоде); ??ан - анодное перенапряжение (суммарное??, определяемое процессами на аноде).

11 В реальных электролизерах всегда U>Еq, т. е. теплота выделяется в окружающую среду. Распределение потерь напряжения в щелочном электролизере при I=300 мА-см-2, Т= 353 К, Eт=1,18 В и U=2.40 В: Распределение потерь напряжения Суммарные энергетические потери в электролизной ячейке складываются из энергетических потерь на электродах, характеризующихся тафелевской зависимостью поляризационных кривых, и из омических потерь в электролите и местах контактов, пропорциональных плотности тока. Обобщенная вольт-амперная характеристика электролизной ячейки имеет вид (19): U=A+BlnI+rI а эффективное сопротивление ячейки rэф=dU/dI зависит от плотности тока: rэф=B/I +r и не зависит от активности (каталитичности) электродов.

12 Тепловой баланс При отсутствии утечек тока все составляющие теплового баланса ячейки можно выразить в электрических единицах. В ячейке выделяется джоулева теплота. С уходящими газами отводится теплота Qг, через холодильники Qхол, путем потерь через стенки Qст. В общем балансе надо учесть отвод энергии в виде химической энергии Qхим (теплоты сгорания в условиях работы ячейки) полученных водорода и кислорода. С ростом нагрузки доля потерь теплоты через стенки Qст в общем балансе теплоты уменьшается, а Qхим и Qг остаются неизменными. Суммарные потери теплоты Qпот=Qхим+Qг+Qст - кривая 1. Выделение энергии в ячейке определяется ее вольт-амперной характеристикой (кривая 2). В точке a энерговыделение и потери равны. При работе в режиме IIа необходим отвод теплоты через холодильники. Практически работа электролизера всегда осуществляется при I>Ia.

13 Удельные энергозатраты Затраты электроэнергии на единицу продукции при электролизе зависят от плотности тока. С увеличением I возрастают перенапряжения на аноде и катоде, омические потери, утечки тока и другие потери энергии, что приводит к росту затрат электроэнергии на единицу продукции. Характеристики электролизера ФВ-500 Под КПД электролизера?э принимают отношение низшей теплоты сгорания 1 м3 водорода к количеству электроэнергии, которую нужно затратить для его получения при той же температуре.

14 Основные типы электролизеров и их характеристики По конструкции и схеме включения в цепь электродов все электролизеры можно подразделить на два типа -с монополярными и биполярными электродами. Электролизеры с монополярными электродами изготовляют обычно ящичного (баночного), а с биполярными - фильтр-прессного типов. В них анод (катод) каждой ячейки соединен электрически с катодом (анодом) соседней ячейки, т. е. ячейки соединены последовательно. По виду электролита: с водным щелочным электролитом (рабочая температура - до 500 К); с катионообменной мембраной (рабочая температура- до 423 К); с твердым окисным электролитом (рабочая температура 1100-1300 К.)

15 Электролизеры со щелочным электролитом Обычно фильтр-прессного типа. Применяются два типа конструкций электролизных ячеек. В ячейке на рис.а, каталитический слой 2 нанесен непосредственно на плоскую биполярную металлическую пластину 3 и генерация газа происходит на наружной поверхности каталитического слоя; пористая диафрагма-сепаратор 1 укреплена на распорках 4 в зазоре, заполненном электролитом. Омические потери складываются из потерь в диафрагме и в объеме электролита, содержащем газовую фазу, В ячейке на рис. б каталитический слой 2 нанесен непосредственно на заполненную электролитом пористую диафрагму-сепаратор 1, генерация газа происходит на внутренней поверхности каталитического слоя; контактирующая с каталитическими слоями биполярная металл. пластина 3 разделяет две соседние ячейки и, обеспечивает сепарацию продуктов электролиза. Омические потери складываются из потерь в диафрагме и на контактном сопротивлении между электродами и биполярной пластиной.

16 Электродные реакции в щелочном электролизере: На катоде: На аноде: Наиболее существенны поляризационные потери на электродах и омические потери в электролите. Снижение поляризации электродов достигается увеличением тока обмена электродных реакций, развитием удельной поверхности катализаторов и повышением эффективности ее использования. Ток обмена реакций зависит от материала (каталитичности) электродов и в соответствии с законом Аррениуса увеличивается с ростом температуры. Наиболее активными катализаторами катодного процесса выделения водорода являются металлы Ni, Pd, Рt, хорошо адсорбирующие водород. С точки зрения экономики целесообразно использовать неплатиновые катализаторы. Для никелевых катодов, при температурах 298-373 К энергия активации процесса выделения водорода при I=1 А-см-2 составляет около 41 кДж-моль-1 Н2, при увеличении температуры от 298 до 363 К ток обмена возрастает от 10-7 до 2*10-5 А-см-2.

17 Катализаторы анодного процесса выделения кислорода. Ряд электрохимической активности металлов для этого процесса имеет видNi>Ir>Рt. Типичные характеристики анодного процесса выделения кислорода на металлических катализаторах на основе Ni при электролизе водного раствора 30 % КОН при 353 К, I=2-10-5 А-см-2: Пути повышения эффективности: Развитие поверхности катализатора. Гидрофобизация.-приводит к уменьшению отрывных диаметров газовых пузырьков, уменьшению степени заполнения поверхности газовой фазой и к увеличению поверхности контакта электролит - катализатор, т. е. к увеличению активности электродов. Гидрофобизация в большей степени влияет на эффективность анодного процесса выделения кислорода, чем на процессы на катоде, в связи с меньшими диаметрами пузырьков водорода.

18 Проблема диафрагм Совершенствование пористых разделительных диафрагм (мембран) с целью уменьшения омических потерь. Металлокерамические диафрагмы - хорошая коррозионная стойкость при повышенных температурах и относительно низкое сопротивление. В никелевых пористых дифрагмах с пористостью около 50%, размерами пор от 2 до 30 мкм и толщиной от 0,4 до 0,7 мм потери напряжения в 30 % КОН при Т=353 К и I~2 А-см-2 составляют от 0,1 до 0,25 В. Пористые диафрагмы, не обладающие электронной проводимостью: уменьшается опасность коротких замыканий и увеличивается надежность работы электролизера. Наиболее распространенным материалом для таких диафрагм сегодня является асбестовая ткань или асбокартон, который, однако, недостаточно стабилен и подвержен коррозии при температурах Т> 350 К. Одной из важнейших задач является разработка коррозионно-стойких при повышенных температурах и прочных пористых материалов, не обладающих электронной проводимостью, для диафрагм щелочных электролизеров. В качестве таких исходных материалов в последнее время активно исследуются сульфонированный тетрафторэтилен, титанат бария, гексатитанат калия. Перспективным материалом для диафрагм может оказаться пористый окисленный никель.

19 Пути совершенствования щелочных электролизеров: увеличение температуры и давления. Увеличение температуры в ЩЭ сопровождается повышением давления для предотвращения выкипания щелочи. При возрастании р, уменьшаются размеры газовых пузырьков и объемное газосодержание электролита, т. е. уменьшаются омические потери в нем, уменьшаются степень заполнения поверхности электродов газовой фазой и отрывные диаметры газовых пузырьков, увеличивается объемное заполнение пористого электрода жидким электролитом, т. е. повышается эффективность использования поверхности электродов. Поляризационные характеристики никелевых электродов: Температуры: 1-353; 2-423; 3 - 483; 4 - 538 К

20 Основные характеристики мощных щелочных электролизеров для работы под давлением Плотность тока, кА-м-2 1-2 Напряжение на ячейке, В 1,75-1,9 Затраты энергии на производство водорода, кВт-ч-м-3 4,2-4,7 Рабочая температура, К 380-400 Рабочее давление, МПа 3-4 Тип электролита 25-30 % КОН Производительность единичного агрегата по водороду, м3-ч-1 100-750

21 Твердополимерные электролизеры Мембрана Nafion Протонообменная мембрана Nafion® представляет собой пленку из полимера, сочетающего гидрофобную основную цепь и боковые цепи, содержащие кислотные группы (гидрофильная часть). При наличии воды в полимере, она локализуется вблизи кислотных групп, образуя наноразмерную гидратную область. Гидрофильная часть полимера, обеспечивает протонный транспорт а гидрофобная часть, стабилизирует морфологию мембран, обеспечивая их механическую прочность. Достоинства ТПЭ: Экологическая чистота возможность работы при низких напряжениях на ячейке, больших плотностях тока, высоких давлениях и температурах Высокая эффективность (80 – 90%) Высокая чистота водорода (>99.999%) Твердый электролит – нет риска утечек, как в щелочном Э-ре

22 Если мембрану увлажнить, то кислотные группы –SO3H гидратируются, диссоциируют на SO-3 и H+, создавая протонную проводимость. На аноде в контакте с водой образуются гидроксильные группы и освобождаются протоны. X+H2O>X-OHads + H+ + e- Гидроксильные связи рвутся, образуя дополнительные протоны: X-OHads > X-O + H+ + e- Протоны, (гидратированные H+.nH2O), мигрируют через мембрану, прыгая от одной сульфо-группы к другой, а на катоде собирают электроны, образуя Н2. X-O связи на аноде рвутся, образуя О2. Принцип работы

23 Полимерная мембрана – кислота, - нужно использовать коррозионно – стойкие материалы. (электроды). Катодные материалы: Pt Pd Анодные материалы: Ir, IrO2, Rh, Pt, Rh-Pt, Pt-Ru Биполярные пластины – графит Удобно соединять ячейки последовательно – можно использовать более дешевые ИП Обычные параметры: Т= 80-150°C, давление до 30 Атм., плотность тока до 2 А/см2, напряжение на ячейке 1.4 - 2 В Устойчивы к изменениям питания, поэтому хорошо сочетаются с солнечными элементами. Дорогие, т.к. используются драгметаллы. Нужна чистая вода Нужно контролировать перепад давлений на мембране.

24 Твердооксидные электролизеры Затраты энергии на электролиз пара: (241.8 кДж/моль), электролиз воды: 285.83 кДж/моль. Термонейтральный потенциал равен 1.287 В при 800°C. Расход электроэнергии снижается при увеличении Т, т.к. электрическая энергия частично замещается тепловой. Отношение?G/ ?H =93% при 100 С, 79 % при 1000 С. Теплота может подводиться аллотермически и автотермически Снижается рабочее напряжение ячейки (0,95 – 1,33 В).

25 В ТОЭ используется керамический электролит (стабилизированная иттрием окись циркония), обладающая проводимостью по (O2-) при температурах ~1000°C . The operating temperature is decided by the ionic conductivity of the electrolyte. Реакция на катоде: 2H2O+4e- > 2H2+2O2- Реакция на аноде: 2O2- > O2+4e- (2.2.21)

Давно хотел сделать подобную штуку. Но дальше опытов с батарейкой и парой электродов не доходило. Хотелось сделать полноценный аппарат для производства водорода, в количествах для того чтобы надуть шарик. Прежде чем делать полноценный аппарат для электролиза воды в домашних условиях, решил все проверить на модели.

Общая схема электролизера выглядит так.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось.

Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов.

К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы.

Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов.

Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок.

Их необходимо соединить вместе и оплавить шов.

Гайки делаются из бутылочных крышек.

В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

В качестве источника напряжения будем использовать бытовую сеть 220в. Хочу предупредить, что это довольно опасная игрушка. Так что, если нет достаточных навыков или есть сомнения, то лучше не повторять. В бытовой сети у нас ток переменный, для электролиза его необходимо выпрямить. Для этого прекрасно подойдет диодный мост. Тот что на фотографии оказался не достаточно мощным и быстро перегорел. Наилучшим вариантом стал китайский диодный мост MB156 в алюминиевом корпусе.

Диодный мост сильно нагревается. Понадобится активное охлаждение. Кулер для компьютерного процессора подойдет как нельзя лучше. Для корпуса можно использовать подходящую по размеру распаячную коробку. Продается в электротоварах.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона.

В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия.

Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Тот аппарат, что на фото выше, очень сильно нагревался. Его приходилось периодически отключать и ждать пока остынет. Проблему с нагревом удалось частично решить путем охлаждения электролита. Для этого я использовал помпу для настольного фонтана. Длинная трубка проходит из одной бутылки в другую через помпу и ведро с холодной водой.

Всем еще со школы известно, что водород в таблице Менделеева занимает самое первое место и обозначается символом Н. Но, невзирая на эти знания, мало кто слышал о том, что получение водорода из воды можно без проблем выполнить в домашних условиях. Кроме того, стоит заметить тот факт, что на сегодняшний день этот химический элемент активно используется в качестве автомобильного топлива, поскольку он при сгорании не попадает в окружающую среду. Кстати, промышленным путем водород получают при помощи реакции водяного пара с разогретым углеродом (коксом), электролизом раствора хлористого натрия и т.д. Одним словом, существует огромное количество способов, благодаря которым вещество можно получить в лабораторных условиях. Но, а используя ниже описанные методы, можно провести эксперимент по получению водорода дома. Вот только в этом случае не стоит забывать об осторожности при работе с горючими веществами.

Изначально следует позаботиться о наличии под рукой всего необходимого для химического эксперимента. Во-первых, нужно убедиться в том, что пробирка для сбора водорода является полностью целой (даже самая маленькая трещинка может испортить весь процесс). Кроме того, перед проведением опыта с тлеющей лучиной, пробирку для предосторожности рекомендовано обмотать с помощью плотной ткани. После подготовительного процесса можно смело переходить к практике и, взяв в руки колбу, немного наполнить ее водой. Далее в воду помещается кусочек кальция, и емкость сразу же плотно закупоривается при помощи пробки. «Колено» трубки, что изогнуто и проходит через пробку, должно быть в емкости с водой («гидрозатворе»), а кончики трубки – слегка выглядывать из воды. Торчащий конец нужно очень быстро накрыть пробиркой, перевернутой верх дном. В итоге эта пробирка должна будет наполниться водородом (край пробирки держат в воде).

Как только в колбе полностью завершится реакция, пробирку надо сразу же закрыть очень плотной пробкой, которая держится верх дном, что поможет предотвратить улетучивание более легкого водорода. Кстати, лучше всего это проделать, продолжая ее край держать под водой. А вот для того чтобы проверить наличие водорода, необходимо вытащить пробку, а затем к краю пробирки поднести тлеющую лучинку. В итоге должен раздастся специфический хлопок. К месту будет напомнить о том, что кальций по сравнению со щелочными металлами, хоть и менее активный, но тоже опасен, поэтому работать с ним нужно все равно осторожно. Хранить его рекомендовано в емкости из стекла под пленкой из жидкого парафина, или керосина. Извлекать элемент следует непосредственно уже перед самим опытом при помощи длинного пинцета. Также по возможности лучше всего обзавестись резиновыми перчатками!

Также водород из воды в домашних условиях можно получить следующим весьма не сложным методом. Изначально в бутылку из пластика объемом в 1,5 литра набирается вода. После чего в этой воде растворяют едкий калий (примерно 15 грамм) или каустическую соль. Далее бутылку нужно поместить в кастрюлю, в которую предварительно набирают воду. Теперь необходимо взять 40 сантиметровую алюминиевую проволоку и порезать ее на кусочки, длина которых должна ровняться 5 сантиметрам. Порезанная проволока кидается в бутылку, а на ее горловину надевается заранее подготовленный резиновый шарик. Водород, что выделяется в ходе реакции между алюминием и щелочью, будет собираться в резиновом шарике. Поскольку данная реакция осуществляется с активным выделением тепла – нужно непременно соблюдать правила безопасности и действовать осторожно!

И наконец-то, водород из воды получают при помощи обычной поваренной соли. Для этого в стеклянную емкость с узким горлышком засыпают соль в размере пяти больших ложек и хорошо размешивают. После чего берется провод из меди и просовывается в шприц со стороны поршня. Этот участок необходимо хорошо герметизировать при помощи клея. Далее шприц опускают в емкость с соляным раствором и постепенно заполняют его. Медный провод надо подключить к отрицательному выводу аккумулятора 12 Вольт. В итоге реакции электролиза, возле проводка начнет выделяться водород, который вытесняется из шприца соляным раствором. Как только медный провод перестанет контактировать с соленой водой, реакция полностью завершиться. Вот так можно с помощью довольно простых методов самостоятельно получить водород из воды. Кстати, в ходе использования любого из методов необходимо помнить, что водород при смешивании с кислородом становится взрывоопасным!

Главная » Обучение за рубежом » Получение водорода электролизом. Водород из воды