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^[1] или раствор щелочи^[2], катодом — диоксид свинца или оксид свинца(II).

Электрохимические процессы

Сернокислотный электролит^[1]

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^[1].
• Технологически достигнутая удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): около — 50—55 Вт·ч / кг^[1].
• ЭДС: 1,681 В^[3] (1,677 В при 0 °C^[4]; от 1,422 до 1.756 В при изменении концентрации серной кислоты от 0,5 мМ до 7 М^[4]).
• Рабочая температура: от минус 50 до 60 °C.

Щелочной электролит^[2]

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

На аноде происходит окисление подаваемого водорода:

${\displaystyle {\ce {H2 +2OH^- -> 2H2O +2e-}}}$ (E⁰ –0,828 В).

На катоде происходит растворение оксида свинца(II) в горячем растворе щелочи с концентрацией более 15% с последующим восстановлением ${\displaystyle {\ce {HPbO2^{-}}}}$ до свинца:

${\displaystyle {\ce {OH^- + PbO_{(s)}-> H2O + HPbO2^{-}}}}$

${\displaystyle {\ce {HPbO2^{-}{+ }H2O + 2e- -> Pb_{(s)}{}{+}{}3OH^-}}}$ (E⁰ –0,531 В).

Итоговая реакция:

${\displaystyle {\ce {H2 + PbO_{(s)}-> H2O + Pb_{(s)}}}}$ (E⁰ 0.297 В).

Рабочие параметры

• ЭДС: 0,297 В^[2].

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 %)^[2].

Литература

Carr J. P., Hampson N. A. Lead dioxide electrode : [англ.] // Chemical Reviews. — 1972. — Vol. 72, no. 6. — P. 679–703. — doi:10.1021/cr60280a003.