Свинцово–водородный элемент

Свинцо́во—водоро́дный элеме́нт — это вторичный химический источник тока или топливный элемент с жидким электролитом, в котором анодом является газовый либо металлогидридный водородный электрод, электролитом — серная кислота или раствор щелочи, катодом — диоксид свинца или оксид свинца(II).

Электрохимические процессы

Сернокислотный электролит

При использовании серной кислоты в качестве электролита суммарная токообразующая реакция имеет вид:

PbO₂ + H₂ + H₂SO₄ = PbSO₄ + 2H₂O.

При заряде свинцово-водородного аккумулятора (СВА) на катоде выделяется водород, заполняя свободное рабочее пространство аккумулятора, а на аноде происходит окисление Pb²⁺ до диоксида свинца. При разряде аккумулятора происходит обратное превращение Н⁺ в Н₂, а диоксид свинца восстанавливается до Pb²⁺, образующего с серной кислотой сульфат свинца.

Отрицательный (водородный) электрод СВА представляет собой пористую углеграфитовую матрицу, содержащую платиновый катализатор (для сорбции водорода и превращения его в Н⁺ и катализа обратной реакции), которая наносится на тоководы из медной или свинцовой сетки.

К достоинствам следует отнести при похожей конструкции бо́льшую почти в 5 раз удельную энергоёмкость по сравнению с широко применяемым свинцово-кислотным аккумулятором, высокую степень устойчивости свинец-оксидного электрода при контакте с водородом, возможность полной герметизации.

Рабочие параметры

• Теоретическая удельная энергоёмкость: 319 Вт·ч / кг.
• Технологически достигнутая удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): около — 50—55 Вт·ч / кг.
• ЭДС: 1,681 В (1,677 В при 0 °C; от 1,422 до 1.756 В при изменении концентрации серной кислоты от 0,5 мМ до 7 М).
• Рабочая температура: от минус 50 до 60 °C.

Щелочной электролит

В случае использовании раствора щелочи в электрохимической ячейке протекают следующие реакции:

На аноде происходит окисление подаваемого водорода:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}$ (E⁰ –0,828 В).

На катоде происходит растворение оксида свинца(II) в горячем растворе щелочи с концентрацией более 15% с последующим восстановлением $\mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}$ до свинца:

$\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{(\mathrm{s})}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}$

$\mathrm{H}\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}\text{ + }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}⟶\mathrm{P}\mathrm{b}{\phantom{A}}_{(\mathrm{s})}\text{+}3\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ (E⁰ –0,531 В).

Итоговая реакция:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{(\mathrm{s})}⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{P}\mathrm{b}{\phantom{A}}_{(\mathrm{s})}$ (E⁰ 0.297 В).

Рабочие параметры

• ЭДС: 0,297 В.

Области применения

Свинцово—водородная ячейка, работающая на щелочном электролите, была предложена в качестве топливного элемента для получения электричества и регенерации свинца из оксида свинца(II), который накапливается в отработавших свой ресурс широко используемых в автомобильной промышленности свинцово-кислотных аккумуляторах. Метод позволяет получить свинец высокой чистоты (до 99,9992 %).