Электрохимические технологии и материалы

Технологические и технико-экономические показатели работы электролизеров существенно зависят от конструкции электродов. Она должна обеспечивать достаточно развитую поверхность для интенсификации процесса и создания компактных электролизеров. Работающие поверхности электродов должны быть максимально сближены, а межэлектродное расстояние (МЭР) по всей поверхности электродов должно быть одинаковым. В разных вариантах МЭР колеблется от долей миллиметра до нескольких сантиметров [4]. Его увеличение приводит к росту омических потерь, уменьшение ведет к возможности короткого замыкания или к изменению концентрации реагирующих веществ. В электролизерах с изнашивающимися электродами предусматривается специальная система для возобновления МЭР по мере износа электродов [1].

В целях снижения потерь напряжения необходимо учитывать и отвод газов из зоны прохождения тока по электролиту. Конструкция электродов должна способствовать как внутренней циркуляции электролита в электролизере, так и внешней, необходимой для поддержания теплового режима. Желательно, чтобы электроды были просты в изготовлении, удобными при транспортировке, монтаже и хранении. В большинстве случаев конструкция электродов и материал, из которого они изготавливаются, определяется спецификой электрохимического процесса.

Электроды бывают гладкие, жидкие, кусковые и пористые [2].

По типу включения различают монополярные и биполярные электроды. У монополярных электродов вся поверхность поляризуется одним знаком, требования к материалу и поверхности электрода одинаковы для всех его частей. В биполярных системах одна часть электрода работает как катод, другая как анод. Требования к материалу и активно работающей поверхности частей электрода разные. Обе части этого электрода должны быть надежно электрически соединены с возможно меньшим сопротивлением.

Геометрические формы электродов очень разнообразны и зависят от ряда факторов. Встречаются плоские, перфорированные, пластинчатые, сетчатые и жалюзийные электроды. В ряде случаев электроды используют для регулирования теплового режима и их выполняют как теплообменники. В таких электродах предусмотрена система каналов для протока регулирующих температуру агентов.

Получили распространение электроды, проницаемые для газов и жидкости, что используется для отвода газовых и жидких продуктов электролиза.

Между разноименными электродами часто помещают сепараторы (разделители) из диэлектрических материалов. Они могут использоваться для предотвращения случайного соприкосновения электродов, а также разделения анолита и католита. Сепараторы не должны сильно увеличивать омические потери, должны быть устойчивы к применяемым электролитам, термическим условиям и механической нагрузке [2–4].

Применяют сепараторы из вулканизированного каучука, пластмассы и стекловолокна. Широкое распространение в настоящее время получили ионно-обменные мембраны, которые играют роль сепараторов. Они используются в системах очистки воды, получения чистых растворов, обессоливания и др. [1].

Проблема разработки новых материалов, используемых в качестве катодов или анодов, находится в центре внимания исследователей. Работы по созданию и проверке новых коррозионностойких катодных и анодных материалов ведутся постоянно.

Глава 2. Химические источники тока

2.1. Классификация и основные характеристики ХИТ

Химическими источниками тока (ХИТ) называют электрохимические системы, превращающие химическую энергию в электрическую [2–8].

По характеру работы ХИТ различают:

1) первичные источники тока, их активные вещества однократно используются;

2) вторичные ХИТ или аккумуляторы. Активные вещества, потраченные при разряде, могут быть восстановлены зарядом от внешнего источника постоянного тока;

3) топливные элементы или электрохимические генераторы. Активные вещества подводятся к электродам непрерывно, чем обусловливается бесперебойная работа элемента [4–6].

Электрические характеристики ХИТ

Важными характеристиками элементов являются их электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение разомкнутой цепи (U_рц), т.е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи, и напряжение при работе источника, т.е. при замкнутой цепи. Различают начальное, конечное и среднее напряжение при разряде или заряде.

Напряжение при разряде U_р меньше U_рц поскольку потенциалы электродов при разряде меньше, чем при разомкнутой цепи, а часть ЭДС теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента.

где Е_а и Е_к– потенциалы электродов при разряде; I – ток разряда; r – внутреннее сопротивление ХИТ; R – внешнее сопротивление или нагрузка при разряде.

При заряде напряжение больше U_рц.

где Е`<sub>а</sub> и `Е_к – потенциалы электродов при заряде; I` – ток заряда.