Galvanické články | Napájení pro komunikační zařízení

Galvanické články jsou chemické zdroje elektrické energie, které se rozšířily v mnoha odvětvích národního hospodářství. Během vybíjení dochází v galvanickém článku k nevratnému procesu přeměny chemické energie na elektrickou, přičemž se spotřebovávají jeho aktivní látky. Vybitý galvanický článek se proto stává nepoužitelným.
Galvanický článek jakéhokoli typu se skládá ze dvou odlišných elektrod (vodičů první třídy) oddělených vrstvou elektrolytu. Mezi těmito elektrodami vzniká potenciálový rozdíl, který závisí na materiálu elektrody a složení elektrolytu.
Podstata elektrochemických procesů probíhajících v galvanických článcích bude vysvětlena na příkladu činnosti Voltova článku (obr. 47), který se skládá z nádoby s vodným roztokem kyseliny sírové a dvou elektrod: zinkové a měděné. Zinková elektroda se rozpouští v elektrolytu. Pod vlivem chemických sil přecházejí ionty zinku Zη+ do elektrolytu. Ionty, které se spojují se zápornými ionty kyselého zbytku SO4, tvoří molekuly síranu zinečnatého ZnSO4. V tomto případě je narušena elektrická neutralita elektrolytu – je nabit kladně. Volné valenční elektrony zinku zůstávají na elektrodě a ta získává záporný náboj.
V oblasti kontaktu mezi zinkovou elektrodou a elektrolytem se vytvoří elektrické pole. Síly elektrického pole směřují opačně než chemické síly, tj. brání rozpouštění zinku. Pokud je obvod rozpojený, chemické síly jsou vyváženy silami elektrického pole a proces rozpouštění zinku se rychle zastaví. Mezi zinkovou elektrodou a elektrolytem vzniká určitý potenciálový rozdíl, který se nazývá elektrodový potenciál kovu. Elektrodový potenciál zinku je E = 0,76 V. Měděná elektroda neutralizuje některé vodíkové ionty elektrolytu a dává jim volné elektrony. Proto dostává kladný potenciál E = +0,34 V. V důsledku toho je elektromotorické napětí Voltova článku E = EZ1 — EZn 0,34 — (—0,76) = 1,1 V.
Po uzavření vnějšího obvodu se valenční elektrony zinku začnou pohybovat podél vodiče g k měděné elektrodě. Elektrické pole mezi zinkovou elektrodou a elektrolytem se oslabí a rovnováha elektrických a chemických sil se naruší. Působením elektrolytu se obnoví proces rozpouštění zinku, pohyb zinkových a vodíkových iontů k měděné elektrodě a iontů kyselého zbytku k zinkové elektrodě.
Elektromotorické napětí mnoha galvanických článků je relativně malé: 1,2–1,7 V. Pro dosažení vyššího napětí se galvanické články zapojují sériově.

Fenomén polarizace.

Během provozu prvku neprobíhá proces rozpouštění záporné elektrody nepřetržitě a vodíkové ionty z elektrolytu se přibližují ke kladné elektrodě a vybíjejí se na ní. Molekuly vodíku na kladné elektrodě tvoří nevodivou vrstvu. Tento jev se nazývá polarizace prvku. V důsledku polarizace se vnitřní odpor prvku zvyšuje a jeho napětí klesá.
Pro eliminaci polarizace se do prvku zavádějí depolarizátory – látky bohaté na kyslík, například peroxid manganu. Depolarizátory přeměňují vodík na vodu a uvolňují kladnou elektrodu od nevodivé vrstvy vodíku.

Kapacita a samovybíjení.

Množství elektřiny, které lze z článku získat během jeho vybíjení, se nazývá jeho kapacita. Kapacita se měří v ampérhodinách a určuje se podle vzorce

Kapacita galvanického článku závisí na množství aktivních látek, které jsou do něj vloženy, na vybíjecím proudu, režimu vybíjení, teplotě elektrolytu a době skladování. S rostoucím vybíjecím proudem se proces depolarizace zhoršuje a aktivní látky vložené do článku nejsou plně využity. V důsledku toho se kapacita článku snižuje. Přerušení vybíjecího proudu zlepšuje proces depolarizace a přispívá ke zvýšení kapacity. S rostoucí teplotou elektrolytu probíhají chemické procesy v článcích intenzivněji a kapacita článků se zvyšuje. Při příliš vysokých teplotách elektrolyt vysychá a kapacita klesá.

I při odpojení zátěže dochází v prvcích k samovybíjení, tj. k zbytečné spotřebě jejich aktivních látek. Samovybíjení prvku je způsobeno nedokonalou izolací mezi elektrodami a tvorbou lokálních galvanických usazenin na záporné elektrodě v místech, kde jsou v elektrodě zabudovány cizí nečistoty. Samovybíjení se zvyšuje
při instalaci prvku ve vlhkém místě a při jeho znečištění prachem a nečistotami.
Každý článek je označen jmenovitou kapacitou, která odpovídá specifickému režimu vybíjení stanovenému výrobcem. Skutečná kapacita článku závisí na podmínkách vybíjení a obvykle se od jmenovité kapacity liší.
Významnou výhodou všech galvanických článků je jejich přenosnost, snadné použití a neustálá připravenost k akci. Jejich rozsah použití je však omezen nemožností dobíjení, relativně vysokým vnitřním odporem a krátkou životností.

§ 18. Mangan-zinkové a vzduch-mangan-zinkové články

Mangan-zinkové (MC) a vzduch-mangan-zinkové (AMZ) články a baterie se používají k napájení přenosných komunikačních zařízení, elektrických měřicích přístrojů a některých signalizačních zařízení. Vyrábějí se v kalíškovém (kulatém nebo obdélníkovém) tvaru nebo v provedení sušenkové fólie s kapacitami od zlomků ampérhodin do desítek ampérhodin.
Destičkové články jsou vhodné pro sériové zapojení pro dosažení vyššího napětí. Za tímto účelem se umisťují na sebe tak, aby kladná elektroda jednoho článku byla v těsném kontaktu se zápornou elektrodou článku dalšího.
Kladná elektroda mangan-zinkových článků je aglomerát sestávající ze směsi oxidu manganičitého a grafitu impregnovaného roztokem amoniaku, záporná je kovový zinek. Jako elektrolyt se používá roztok chloridu amonného ve formě pasty.
V suchých prvcích systému VMC se do aglomerátu kromě peroxidu manganu a grafitu přidává aktivní uhlí, které je schopné adsorbovat (absorbovat) kyslík ze vzduchu. Depolarizace v prvcích VMC je proto intenzivnější než v prvcích systému MC. Při stejných vnějších rozměrech mají prvky VMC téměř 2krát větší kapacitu než prvky MC. Plynová komora prvků VMC komunikuje s venkovním vzduchem speciálním otvorem. V nepracujících prvcích musí být tyto otvory uzavřeny zátkami, aby se aglomerát chránil před vysycháním. Během provozu musí být zátky otevřeny.
Pozitivní vlastnosti prvků VMC se projevují, pokud jejich vybíjecí proud nepřekročí maximální přípustnou hodnotu.
Při přetížení ztrácejí prvky VMC část své kapacity, protože množství kyslíku absorbovaného ze vzduchu se stává nedostatečným pro normální depolarizaci.
Prvky systémů MC a VMC mají relativně jednoduchou výrobní technologii a nízké náklady. Jejich rozsah použití je však omezen relativně nízkou měrnou energií, prudkým poklesem napětí při vybíjení prvku (z 1,5 V na 0,9 V) a nedostatečně úplným využitím aktivních látek.
Zmíněné nedostatky jsou výrazně sníženy u nových prvků, u kterých bylo vylepšeno složení elektrolytu, použity nové materiály a nová výrobní technologie.
Průmysl vyrábí jak jednotlivé prvky systémů MC a VMC, tak i baterie sestávající z řady prvků zapojených do série a uzavřených ve společném pouzdře. V závislosti na jejich výkonu za různých teplotních podmínek se dělí na letní (L), chladuvzdorné (X) a univerzální (U).

§ 19. Palivové články

Palivové články jsou chemické zdroje elektrické energie. Jako aktivní látky, které v palivových článcích vstupují do chemické reakce, se používají pevná, kapalná nebo plynná paliva (dřevěné uhlí, ropné produkty, alkoholy, vodík atd.).
Tyto aktivní látky jsou skladovány odděleně od palivového článku ve speciálních skladovacích zařízeních a k elektrodám článku jsou přiváděny pouze tehdy, když jsou napájeny elektrickou energií. Elektrody palivového článku se aktivně neúčastní reakcí a během provozu se neničí. Palivové články proto zajišťují přímou přeměnu chemické energie na energii elektrickou po velmi dlouhou dobu, zatímco jsou k jejich elektrodám přiváděny aktivní látky.
Baterie palivových článků s pomocnými zařízeními (nádrže na palivo, systémy pro dodávku paliva, odvod reakčních produktů, regulaci teploty a tlaku) tvoří elektrický generátor.
Nejjednodušší vodíkovo-kyslíkový palivový článek (obr. 48) se skládá z kladné 1 a záporné 3 elektrody ponořené v alkalickém elektrolytu 2. Aktivní látkou kladné elektrody je kyslík O2 a záporné elektrody je vodík H2. K elektrodám jsou přiváděny porézními trubicemi. Vodík se slučuje s hydroxylovými ionty elektrolytu.

V důsledku toho se tvoří voda a volné elektrony (e je náboj elektronu).

Obr. 48. Schéma zapojení palivového článku na bázi vodíku a kyslíku
Z vodíkové elektrody se volné elektrony přesunou přes zátěž r na kyslíkovou elektrodu. V porézní elektrodě 1 reaguje kyslík s vodou elektrolytu za vzniku hydroxylových zbytkových iontů.
V důsledku toho se v uzavřeném obvodu generuje elektrický proud. Spotřeba vody H2O v prvku je doplněna vodíkem a spotřeba hydroxylové skupiny OH je doplněna kyslíkem. Uvažovaný chemický proces je opakem procesu elektrolytického rozkladu vody, kde při průchodu proudu okyselenou vodou vzniká kyslík a vodík. Elektromotorické napětí jednoho takového prvku je 1,23 V, účinnost je 83 %.
V současné době bylo vytvořeno několik variant palivových článků, které se od sebe liší konstrukcí, typem paliva a teplotou spalování. Všechny mají poměrně složitou konstrukci a vysoké náklady. Velké množství práce, která se vynakládá na zdokonalení palivových článků, je dáno širokými perspektivami využití těchto prvků v mnoha odvětvích národního hospodářství.
Výkonné a úsporné palivové články lze použít v automobilové a železniční dopravě jako autonomní zdroje elektrické energie pro různé podniky. Použití palivových článků v automobilech vytvoří provozní pohodlí, sníží znečištění ovzduší výfukovými plyny a kouřem a sníží hladinu hluku. V napájecích instalacích komunikací mohou palivové články nahradit záložní zdroje elektrické energie – akumulátory a záložní elektrárny.