Источник: Журнал «Юный техник»

ГАЗОВЫЙ АККУМУЛЯТОР

В любом аккумуляторе есть по­ложительные и отрицательные пластины с активным веществом, состоящим из различных металлов. В качестве токопроводящей среды обычно применяются водные растворы кислот или щелочей. Такой раствор называется электролитом. При погружении пластин в электролит начнет происходить химическая реакция, и если их замкнуть через измери­тельный прибор, мы обнаружим, что во внешней цепи проходит электрический ток.

Во время работы аккумулятора, а также при его зарядке можно заметить, что на пласти­нах выделяются пузырьки газа. Газы, как правило, не участвуют в реакциях и выполняют в электрохимических процессах вспомогательную роль, так что в обычных аккумуляторах разность потенциалов определяется только свойствами металлов, из которых состоят пластины. Но, оказывает­ся, различные газы тоже обладают вполне определенным электрохимическим потенциалом. Значит, эту способность можно использовать для изготовления аккумулятора, в котором роль активного вещества будут выполнять два различных газа. Газовый аккумулятор был изо­бретен в 1955 году советским инженером А. Пресняковым.

Важное преимущество газового аккумулятора — простота устройства и высокая экономичность. Для его изготовления не требуются цветные металлы и дорогостоящие материалы. Эксплуатационные качества газового аккумулятора также весьма высоки. Газовый аккумулятор можно долго хранить как в заряженном, так и в разряженном состоянии, и это не отразится на его работоспособности. Он допускает большой зарядный ток, что уменьшает время зарядки. Даже длительные замыкания пластин между собой безвредны для газового аккумулятора, так как в этом случае он хоть и разряжается, но без необратимых процессов в самом активном веществе, как в других типах аккумуляторов.

Газовые аккумуляторы — конструктивно новые источники тока. Их создание стало возможным только после того, как были найдены вещества, способные поглощать газы в большом количестве и удерживать их в себе. Такие вещества называются адсорбентами. Один из лучших адсорбентов — активированный уголь. Поглощая газы, он сам не участвует в химических реакциях.

В таблице, помещенной ниже, показано, какое количество различных газов может быть поглощено одним граммом активированного угля при 15° С при нормальном давлении. Вы сразу же заметите закономерность: газ поглощается тем лучше, чем выше его критическая температура, то есть чем легче он сжижается.

Конструкция самодельного газового аккумулятора показана на рисунке 1. В емкость 1 налит электролит 2. В электролит опущены два электрода, которые состоят из стержня 3 и мешочка 4 с активированным углем 5. Предохраняет мешочки от смещения перегородка 6, которая изготовляется из любого электроизоляционного материала. Емкость закрывается крышкой 7.

В качестве емкости газового аккумулятора с успехом могут быть использованы, например, баночки для специй — они продаются в хозяйственных магазинах. Можно взять и стеклянные банки, но их надо покрыть снаружи асфальтовым лаком, чтобы свет не проникал внутрь, а то он будет способствовать разрядке аккумулятора.

Мешочки изготовьте из старого капронового чулка плотной вязки. Шов можно сшить капроновой нитью или паяльником на круглой деревянной болванке.

Один конец мешочка завяжите капроновой нитью наглухо, а во второй, открытый, вставьте угольный стержень от батареек, карманного фонаря, отслуживших свой срок. Наполните мешочки активированным углем, хорошо уплотнив его. Загибая края мешочка, обвяжите их капроновой нитью вокруг стержня. Теперь нужно плотными витками обвязать мешочки. Чем больше будет сделано витков, тем лучше контакт угольного порошка со стержнем, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, тем он лучше работает. Электроды нужно укрепить в крышке, а к выходящим наружу концам стержня приделать клеммы.

Лучше всего использовать медицинский уголь, который продается в аптеках, или уголь выбракованных противогазов. В крайнем случае, древесный уголь можно легко приготовить самому. Для этого возьмите палочки диаметром 5—10 мм, длиной 100 мм (любой породы дерева), свяжите их в пучок ниткой, поместите в железную банку и засыпьте сухим речным песком. Положите банку в печку на горячие угли или на газовую плитку и прокалите, пока из банки перестанут выделяться газы. Дайте остыть песку, после чего извлеките обуглившиеся чурки — их то и можно употребить в дело. Для получения от аккумулятора емкости в 1 ампер-час потребуется 50—90 граммов активированного угля.

Для электролита лучше всего взять дистиллированную воду, ко­торую можно купить в аптеке, или, в крайнем случае, колодезную, или водопроводную, предварительно прокипятив ее около получаса и остудив. На каждый стакан воды всыпьте 1—1,5 столовой ложки поваренной соли. Заполните сосуд электролитом и накройте крышкой с электродами, проследив, чтобы электроды были полностью погружены в электролит.

Простейший газовый аккумулятор готов, теперь его осталось только зарядить. Для этого необходимо присоединить электроды к источнику постоянного тока напряжением 4,5 в. Промаркируйте какой-либо яркой краской поло­жительный электрод, нанеся на крышку метку +. Отрицательный электрод можно не маркировать. При повторной зарядке придерживайтесь полярности электродов. Заканчивайте зарядку, когда напряжение на электродах аккумулятора будет 2,2—2,5 в.

При постоянной работе аккумулятора электролит необходимо менять не реже одного раза в неделю. (Запомните, что такая частая замена нужна только для электролита, составленного на основе поваренной соли).

Работает аккумулятор так. При зарядке, когда к электродам подключено напряжение, электролит разлагается на водород и хлор. Электрод, присоединенный к отрицательному проводу, будет поглощать водород, а к положительному — хлор. Таким образом, создается разность потенциалов. Химическая реакция может быть описана уравнением:

В качестве электролита в газовых аккумуляторах можно применять растворы различных солей, кислот и щелочей. Подбирая электролит, можно осуществить его электролиз на те или иные газы и получить различную электродвижущую силу и емкость аккумулятора. Так, при электролизе слабого раствора серной кислоты получим пару водород — кислород. Раствор питьевой соды даст пару водород — углекислый газ. Вообще подбор электролита открывает очень широкие возможности для эксперимента. На рисунке 2 изображена схема газового аккумулятора, в котором используется пара хлор — сернистый газ. (Если вы вернетесь к нашей таблице, то увидите, что эти газы лучше остальных поглощаются углем.) Довольно высокие характеристики оправды­вают конструктивное усложнение.

Аккумулятор состоит из основного сосуда 1, вспомогательного сосуда 2, вспомогательных угольных электродов 3 и 7, электролита 4, которым заполняется вспомогательный сосуд, основных угольных электродов 5 и 6, электролита 8. Размеры аккумулятора подберите, исходя из размеров угольных электродов от батарейки карманного фонаря.

В таком аккумуляторе сернистый газ — носитель отрицательного, а хлор — положительного потенциала. Электролит основного сосуда — раствор поваренной соли, электролит вспомогательного — раствор сернистого натрия (другие названия — сульфид натрия, моносульфид натрия).

Как мы сказали, вспомогательный сосуд должен быть полупроницаемым, то есть пропускать газы, но не пропускать соли, растворенные в электролите. Такой сосуд можно приобрести в магазине химических товаров или изготовить самому, причем самодельный не будет уступать промышленному. Материалы: белая глина, которая используется для побелки,железистосинеродистый калий (другие названия: ферроцианид калия, желтая кровяная соль; не спутайте с железосинеродистым калием — феррицианидом калия), медный купорос. Ижелезистосинеродистый калий, и медный купорос можно купить в отделах фотоматериалов.

Замесите глину до пластического состояния и вылепите из нее стаканчик. Стенки стаканчика должны быть возможно тоньше. Высушите стаканчик, а потом обожгите над горячими углями до такой степени, чтобы бумага, положенная в стаканчик, обуглилась, но не вспыхнула. Лучше, если обжиг провести в муфельной печи, которые бывают в кабинетах химии. После охлаждения наполните стаканчик насыщенным раствором железистосинеродистого калия и оставьте до тех пор, пока наружные стенки его не станут влажными. Вылейте раствор (его можно использовать повторно), дайте стаканчику высохнуть, после чего опустите его на 4—5 часов в насыщенный раствор медного купороса. Растворы нужно готовить на дистил­лированной, снеговой или дожде­вой воде. Надо брать такое коли­чество соли, чтобы обязательно оставался нерастворимый ее остаток — это и будет насыщенный раствор.

На рисунке 3 показана схема подключения на зарядку аккуму­лятора с четырьмя электродами.

Схема зарядного устройства изображена на рисунке 4. Потенциометром R3 регулируется ток базы транзистора, в результате чего можно изменять величину напряжения на выходе от 0,5 до 15 В и силу тока в пределах 0—5А. Силовой трансформатор можно использовать от старого радиоприемника или телевизора. На его выходе должно быть напряжение 20 В при силе тока 6 А. Зарядное устройство не требует специальной наладки и при правильной сборке готово к работе.

Предложенные нами аккумуляторы могут устанавливаться на моделях автомобилей и судов. Аккумуляторная батарея приведет в движение даже педальный автомобиль, если вы установите на нем электромотор. Но не советуем торопиться — сперва хорошенько рассчитайте (вам поможет учитель физики) параметры.

Диоды и транзистор надо монтировать на теплоотводящих панелях или радиаторах. Величины шунта R5 и добавочного сопротивления R4 можно изменять в зависимости от чувствительности ваших аккумуляторов и их соответствие тому электродвигателю, который вы выберете.

Известно, что при зарядке обычного кислотного акку­мулятора на его аноде выделяется кислород, окисляющий этот электрод, а на катоде выделяется водород. Во время разряда аккумулятора пластины анода и катода взаи­модействуют и происходит обратная реакция, при этом газы водород и кислород играют только вспомогатель­ную роль. Когда аккумулятор отключается от источника зарядного тока, газы бесследно улетучиваются. В современном газовом аккумуляторе при зарядке газы запасаются в электродах и хранятся в них, как на, «складах», до момента разрядки. Сами электроды не уча­ствуют в химических процессах. Газовые аккумуляторы относятся к новым источникам постоянного электрического тока. Их достоинством яв­ляется исключительная простота конструкции, весьма вы­сокая экономичность, так как они не требуют цветных металлов и дорогостоящих материалов. Они очень удоб­ны в эксплуатации: их можно хранить продолжительное время как в заряженном, так и в разряженном состоянии.

Эти аккумуляторы не боятся больших зарядных и разрядных токов, что резко сокращает время их зарядки. На такие аккумуляторы не оказывают никакого вредно­го влияния быстрые разрядки и короткое замыкание. По конструкции газовый аккумулятор (см. рис.) напо­минает свинцово-поташный аккумулятор.

Он состоит из непрозрачного сосуда и двух одинаковых электродов ме­шочного типа. В каждом мешочке помещается гальва­нический уголь, окруженный активированным углем. Электролитом служит раствор поваренной соли.

Принцип работы газового аккумулятора состоит в том, что во время зарядки на его электродах образуются и длительное время сохраняются запасы атомов водоро­да и хлора. При разрядке аккумулятора эти газы взаимодействуют между собой, соз­давая электрический ток. В момент зарядки аккуму­лятора происходит электролиз раствора. На катоде в мешоч­ке запасается водород, а на аноде — в другом мешочке — запасается хлор. Возникшие во время электролиза атомы водорода и хлора заполняют мельчайшие поры активирован­ного угля и лишаются возмож­ности объединяться в молеку­лы. Таким образом, применение в электродах активированного угля позволило накапливать запасы газов и содержать их в атомном состоянии.

Газовые аккумуляторы ста­ли возможны после того, как были найдены вещества, обес­печивающие раздельный сбор, хранение и атомный режим газов в аккумуляторе. Такие вещества называют адсорбентами, то есть веществами, об­ладающими способностью по­глощать газы, пары и жидко­сти. Явление адсорбции проис­ходит на поверхности погло­щающих веществ. Поэтому, чем больше поверхность адсорбен­тов, тем больше молекул газа или пара они поглощают. Хорошей поглотительной способностью обладает обыч­ный древесный уголь, так как в нем большая поверхность об­разуется за счет огромного количества пор. Самым лучшим адсорбентом является активирован­ный уголь, получаемый в результате специальной обработки обычного древесного угля. В 1 грамме активиро­ванного угля общая поверхность достигает 10000 кв. метров. Вот почему в качестве электродов в газовом ак­кумуляторе был взят активированный уголь.

Простейший газовый аккумулятор легко изготовить самим. Возьмите стеклянную пол-литровую банку, окрасьте ее снаружи асфальтовым лаком или черной эмалью (мож­но оклеить черной бумагой). Важно, чтобы свет не про­никал внутрь аккумулятора. Любой свет оказывает силь­ное влияние на газы и разряжает аккумулятор. Подберите два угольных стержня от накальных эле­ментов или дуговых фонарей. Сшейте два мешочка из хлопчатобумажной ткани. Вставьте в мешочек угольный стержень с прикрепленным выводом на верхнем конце и набейте вокруг него активированный уголь. Зашейте Ме­шочек сверху и плотно обвяжите его прочными машинны­ми или суровыми нитками. Чем больше витков сделаете и сильнее их затянете, тем надежнее будет контакт порош­ка с угольным стержнем и тем лучше будет работать ак­кумулятор.

Второй мешочек изготовляется таким же спо­собом. Активированный уголь можно приобрести в магази­нах химических реактивов или использовать активиро­ванный уголь из старых противогазов. Для получения емкости в 1 ампер-час потребуется 50—90 граммов акти­вированного угля на два мешочка.

Электролит составьте по следующему рецепту. На каждый стакан кипяченой воды всыпьте 1 —1,5 столовой ложки поваренной соли. Вставьте мешочки в сосуд и за­лейте его электролитом. Сосуд закройте деревянной крышкой, пропитанной парафином. Сверху на крышке против электродов укрепите выводы, а в середине крышки сделайте отверстие для заливки и смены электролита. Это отверстие закройте пробкой.

Зарядка газового аккумулятора производится так же, как и обычного кислотного аккумулятора. Вывод от одного мешочка соедините с отрицательным полюсом источника зарядного тока. Это будет как бы отрицательная пластина аккумулятора (водородный элек­трод), обозначьте его знаком минус (—). Другой мешо­чек— с положительным полюсом источника зарядного тока через реостат. Этот мешочек будет служить поло­жительной пластиной (хлористый электрод), обозначьте его знаком плюс (+). Для зарядки одного аккумулятора требуется напряжение 4,5 вольта. Зарядка заканчивает­ся, когда напряжение на зажимах газового аккумулято­ра будет равно 2,2—2,5 вольта.

Если вы хотите применить эти аккумуляторы в похо­дах, то скрепите их электроды хомутиками из пластмас­совых пластинок или из полосок оргстекла, как показано на рисунке (а). Распорки не позволят электродам пере­мещаться. Для лучшей работы аккумулятора необходимо сме­нять электролит один-два раза в неделю.

Поиск по сайту: