閥控密封式鉛酸善電池的原理及其運行維護

摘要：介紹了閥控密封式鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史和其現(xiàn)行的運行維護標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合閥控密封式鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)和原理，討論了其失效模式以及影響壽命的主要因素，并提出了其在運行維護中的注意事項。
關(guān)鍵詞：閥控密封式鉛酸蓄電池；標(biāo)準(zhǔn)；原理；維護

0 引言
閥控密封式鉛酸蓄電池(以下簡稱為閥控蓄電池)，具有體積小、使用安全性高、放電性能好、維護量小等特點，使其在很多應(yīng)用領(lǐng)域迅速取代了傳統(tǒng)的防酸隔爆式蓄電池。閥控蓄電池的設(shè)計壽命一般大于5年，最長可以達到20年以上，但是由于其結(jié)構(gòu)特點，閥控蓄電池的效率和壽命比傳統(tǒng)的防酸隔爆蓄電池更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。MICHAEL R．MOORE通過對超過7萬5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實際使用壽命為4～8年，遠低于其10～20年的設(shè)計使用壽命。因此有必要從閥控蓄電池的原理出發(fā)，論述各種影響蓄電池容量和壽命的因素，以便可以對蓄電池進行更好地維護，延長其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來的安全風(fēng)險。

l 閥控蓄電池發(fā)展
MF、SLA、VRLA都是國內(nèi)外對閥控蓄電池陸續(xù)使用過的稱謂。MF(Maintenance―Free)是免維護蓄電池的簡稱；SLA(Sealed Lead―AcidBattery)是密封鉛酸蓄電池的簡稱；VRLA(ValveRegulated Lead―Acid Battery)直譯應(yīng)為閥控式鉛酸蓄電池，在一些文獻中也采用了其直譯名稱，國標(biāo)GBT 19638．2―2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池中譯為閥控密封式鉛酸蓄電池。這是閥控蓄電池的當(dāng)今的名稱。從MF、SLA到VRLA，不僅是名稱的改變，也說明了閥控蓄電池的發(fā)展歷程。
早期的“免維護蓄電池”MF，是指蓄電池所用期不需加水、補酸。蓄電池免維護技術(shù)的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)30年代。1935年美國為軍用的目的，首次將Pb―Ca合金柵應(yīng)用于需要低自放電率(浮充)場合。70年代中期，美國的Gates公司推出了現(xiàn)代MF電池。80年代，由于先進的冶金、化工新技術(shù)引入電池行業(yè)中使MF電池更加完善，出現(xiàn)了SLA一密封鉛酸蓄電池的稱謂。SLA除了采用電池內(nèi)部氣體復(fù)合技術(shù)外，還對電池結(jié)構(gòu)進行了改進，采用單向氣閥，使電池達到密封。隨著排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準(zhǔn)確的開、閉閥壓力，閥成了氣體復(fù)合與防泄漏、密封的主要部件。因而稱為VRLA(ValVe Regulated Lead―Acid Battery)閥控密封式鉛酸蓄電池。

2 運行維護標(biāo)準(zhǔn)
閥控蓄電池的運行維護標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)1996年發(fā)布了IEEE標(biāo)準(zhǔn)1188一1996 IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護、試驗和更換標(biāo)準(zhǔn)，2005年對該標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂后重新發(fā)布。修訂改動內(nèi)容不多，主要對其中蓄電池核定性充放電周期、內(nèi)阻(電導(dǎo))測試等部分做了調(diào)整。我國2000年發(fā)布了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，DL／T724―2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術(shù)規(guī)程。國家電網(wǎng)公司2004年底發(fā)布了企業(yè)內(nèi)部的《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》，其中包含了對閥控蓄電池的運行維護的規(guī)定。

3 原理、結(jié)構(gòu)及其特點
1)閥控蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理
閥控蓄電池由極板、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液式結(jié)構(gòu)和陰極吸附式原理，在電池內(nèi)部通過實現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達到全密封的效果。閥控蓄電池按固定硫酸電解液的方式不同而分為兩類，即采用超細(xì)玻璃纖維隔板(AGM)來吸附電解液的吸液式電池和采用硅凝膠電解質(zhì)(GEL)的膠體電池。這兩類閥控蓄電池都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。所謂陰極吸收是讓電池的負(fù)極比正極有多余的容量。當(dāng)蓄電池充電時，正極會析出氧氣，負(fù)極會析出氫氣，正極析氧是在正極充電量達到70％時就開始了，負(fù)極析氫則要在充電到90%時方開始，析出的氧到達負(fù)極，跟負(fù)極起下述反應(yīng)：2Pb+O2=2PbO；2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。通過這兩個反應(yīng)，達到陰極吸收的目的。再加上氧在負(fù)極上的還原作用及負(fù)極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應(yīng)。AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解液，隔膜保持有10％的孔隙不被電解液占有，正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達負(fù)極而被負(fù)極吸收的。Gel膠體密封鉛蓄電池內(nèi)的硅凝膠的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧提供了到達負(fù)極的通道。兩種閥控蓄電池遵循相同的氧循環(huán)機理，所不同的僅是為氧達到負(fù)極建立通道的方式不同。
2)閥控蓄電池的特點
與防酸隔爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點：
(1)固定的電解液，增進氧氣從正極向負(fù)極的擴散。
(2)內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)和自動開關(guān)的安全閥。蓄電池在內(nèi)部壓力下工作，以促進氧氣的再化合。蓄電池內(nèi)部壓力增加到一定程度時，安全閥自動打開排氣；而當(dāng)氣壓將低到規(guī)定限度以下時，安全閥自動關(guān)閉。
(3)改進的板柵材料。閥控蓄電池的正極板用高純度的鉛銻合金制成，負(fù)極板用高純度的鉛鈣合金支撐，這樣的結(jié)構(gòu)可減少電腐蝕的程度
(4)較堅硬的外殼。由于閥控蓄電池的外殼要承受一定的內(nèi)部壓力，故外殼采用高強度耐壓防爆的材料制成，使得外殼更加堅固耐用。
(5)不需加水、補酸。閥控蓄電池的閥控密封結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的氧循環(huán)機制使得其電解液損失小，在使用期間無需加水、補酸。
(6)安裝占用空間小，可分層安裝在電池架上或電池屏內(nèi)。
(7)對環(huán)境污染小。運行期間酸霧和可燃?xì)怏w逸出少。
(8)對使用環(huán)境要求較高，受環(huán)境溫度影響大。