CC BY
110
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2005. Т. 5, № 1. С. 40-42
УДК 541.136.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОГО РАЗГОНА В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ
Н.Н. Галушкина, Н.Е. Галушкин, Д.Н. Галушкин
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса,
Шахты, Ростовская обл., Россия
Поступила в редакцию 09.12.04 г.
Экспериментально установлено, что при тепловом разгоне из никель-кадмиевых аккумуляторов выделяется очень большое количество водорода.
It has been established experimentally that during the heat acceleration a great amount of hydrogen is given off from nickel-cadmium accumulators.
ВВЕДЕНИЕ
Во время заряда некоторых типов никель-кадмиевых (НК) аккумуляторов при постоянном напряжении или при их работе в буферном режиме может возникнуть явление так называемого теплового разгона. В этом случае ток заряда в аккумуляторах начинает резко возрастать, электролит мгновенно вскипает и превращается в пар. Возможно также оплавление и разрыв полиамидного корпуса аккумулятора, вылетание пробок под действием пара, обильное дымообразование и даже возгорание.
Данное явление очень необычно и мало изучено. Анализ работ по исследованию аккумуляторов различных типов и процессов, происходящих в них, примерно за последние 20 лет показал, что опубликовано крайне мало статей по исследованию теплового разгона. Однако в целой серии работ [1-5] упоминается и обсуждается этот процесс.
Такое отсутствие внимания к данному явлению мало обоснованно, так как, например, аккумулятор марки НКБН-25-У3 при эксплуатации которого встречается явление теплового разгона, устанавливается в бортовую систему самолетов многих типов. Данный аккумулятор находится в бортовой системе самолета в составе батареи 20НКБН-25-У3, которая работает в буферном режиме. Ввиду того, что тепловой разгон происходит самопроизвольно, то не исключено его возникновение во время полета. Самолет сам по себе является средством повышенной опасности, а возникновение такого неуправляемого бурного процесса во время полета, сопровождаемого парообразованием, задымлением, возможно, коротким замыканием в бортовой системе самолета и т.д., неминуемо приведет к кризисной ситуации с различными последствиями.
Данное явление имеет большой практический и чисто теоретический интерес. Пожалуй, тепловой разгон - единственное самоускоряющееся явление в аккумуляторах, происходящее столь бурно и неза-
висимо от эксплуатирующего батарею персонала, сопровождаемое множеством визуальных и тепловых эффектов, и практически не поддающееся управлению.
Экспериментальное исследование процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах типа НКБН-25-У3
Основная цель данного исследования состояла в том, чтобы экспериментально определить: изменение зарядного тока и напряжения на клеммах аккумулятора, изменение температуры аккумулятора и изменение динамики выделения и состава газа в процессе теплового разгона.
Предварительные исследования показали, что вероятность теплового разгона возрастает с увеличением срока эксплуатации аккумуляторов. Она особенно высока при очень длительных сроках эксплуатации аккумуляторов. В связи с этим для экспериментальных исследований были отобраны 20 аккумуляторов типа НКБН-25-У3 со сроками эксплуатации более пяти лет на фирме ОАО АК «Аэрофлот-Дон» (г. Ростов-на-Дону).
Прежде всего было исследовано влияние напряжения зарядного устройства на вероятность теплового разгона. С этой целью все аккумуляторы заряжались последовательно при постоянных напряжениях: 1.45; 1.67; 1.87; 2.2 В. Нижнее значение исследуемого диапазона зарядных напряжений соответствует буферному рабочему напряжению аккумулятора в составе батареи 20НКБН-25.
Все исследуемые аккумуляторы при каждом значении зарядного напряжения заряжались и разряжались по восемь раз.
Заряд проводился в течение восьми часов. Разряд выполнялся согласно руководству по технической эксплуатации батареи 20НКБН-25-У3 током 10 А до напряжения на клеммах аккумуляторов в 1 В.
© Н.Н. ГАЛУШКИНА, Н.Е. ГАЛУШКИН, Д.Н. ГАЛУШКИН, 2005
Исследование процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах
Чтобы исключить взаимные влияния одного исследуемого зарядно-разрядного цикла на другой (через всевозможные остаточные явления, эффект "памяти" и т.д.), после каждого исследуемого цикла проводились от одного до трех контрольнотренировочных циклов.
Заряд на контрольно-тренировочном цикле проводился согласно руководству по технической эксплуатации батареи 20НКН-25-У3 в две ступени: первая ступень - током 10 А в течение трех часов; вторая - током 5 А в течение двух часов.
Зарядное устройство представляло собой понижающий трансформатор с диодным мостом, способное обеспечить нужное напряжение и ток до 150 А и кратковременно до 500 А. Выделяющийся газ собирался в эластичную емкость, способную вместить 1060 л.
Результаты и их обсуждение
Во-первых, из более чем 600 выполненных зарядно-разрядных циклов тепловой разгон наблюдался только в четырех случаях. Таким образом, можно утверждать, что тепловой разгон - довольно редкое явление.
Во-вторых, во всех четырех случаях теплового разгона аккумуляторы имели сроки эксплуатации значительно большие, чем пять лет (5.6; 6.5; 7; 7.4 лет) при гарантийном сроке службы в три года. То есть данные экспериментальные результаты непосредственно подтверждают предварительные выводы о том, что вероятность появления теплового разгона увеличивается с ростом срока эксплуатации батареи.
В-третьих, во всех случаях наблюдения теплового разгона заряд аккумуляторов выполнялся при напряжениях (в первом случае - 1.87 В, а в трех остальных - 2.2 В), значительно превышающих среднее напряжение эксплуатации данных аккумуляторов на объекте (1.35-1.5 В). Таким образом, можно сделать вывод, что вероятность теплового разгона повышается с ростом напряжения заряда аккумуляторов.
Изменение параметров аккумуляторов НКБН-25-У3 во время теплового разгона представлено на рисунке (для аккумуляторов с серийными номерами 06301 и 14412 соответственно). Динамика изменения параметров для двух других аккумуляторов, пошедших на тепловой разгон (с серийными номерами 24794 и 11105), близка к динамике теплового разгона аккумулятора 06301.
Интересно изменение зарядного тока в аккумуляторе НКБН-25-У3 (14412) на рисунке. Такое его скачкообразное изменение свидетельствует только о том, что тепловой разгон может возникать и затухать в аккумуляторах неоднократно и спонтанно.
2,0- 280
1,5- 210
1,0- МО
I 1
и " [
/) ч к.
V-
10 15 20 25
а
30 t, мин
б
Изменения параметров аккумуляторов НКБН-25-У3 (серийный номер 06301) (а) и НКБН-25-У3 (серийный номер 14412) (б) во время теплового разгона. I - ток заряда аккумулятора; и - напряжение на клеммах аккумулятора; Т — температура положительной клеммы аккумулятора
В конечном счете для данного аккумулятора, по всей вероятности, электроды закоротились за счет прогорания сепаратора, о чем свидетельствует нулевое напряжение на клеммах аккумулятора в момент выключения установки и очень большое значение тока заряда (см. рисунок).
Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона, представлен в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона *
Параметры газовыделения Аккумуляторы
№06301 №14412 №24794 №11105
Общее количество газовой смеси выделившейся в результате теплового разгона, л 325 348 305 360
Количество выделившегося пара, л 70 62 75 67
Оставшийся газ, л 255 286 230 293
* Относительная ошибка измерения объемов не более 10%.
Н.Н. ГАЛУШКИНА, Н.Е. ГАЛУШКИН, Д.Н. ГАЛУШКИН
Общее количество газовой смеси определялось по первоначальному объему выделившегося газа. Затем накопитель газовой смеси охлаждался до комнатной температуры. Далее производилось повторное определение объема выделившегося газа. Разность этих объемов давала объем выделившегося пара.
Таким образом, в результате теплового разгона происходит очень интенсивное, в течение 2-4 минут, газовыделение порядка 320-360 литров газа и пара из одного аккумулятора.
Анализ газа, полученного в результате теплового разгона
Чисто теоретически в результате теплового разгона могут выделяться следующие вещества: пары воды, водород и кислород из-за разложения воды и оксидов в электродах, продукты горения сепаратора.
Пары воды отделялись при охлаждении газо-накопителя. В связи с этим задача данного параграфа состоит в исследовании качественного и количественного состава оставшегося газа.
Анализ газа был выполнен с помощью объемно-оптического газоанализатора ООГ-2М. Данный прибор способен определять процентный состав газовой смеси, состоящей из углекислого газа, кислорода, оксида углерода, водорода и метана. Причем углекислый газ, кислород и оксид углерода определяются газообъемным методом, а метан и водород - оптическим с помощью встроенного интерферометра.
Результаты анализа газовых смесей, полученных из четырех различных аккумуляторов после теплового разгона, представлены в табл.2.
Полученные результаты несколько неожиданные, так как если предположить, что в результате теплового разгона происходит только разложение воды электрохимическим или термическим путем, то процентное соотношение между водородом и кислородом должно быть следующим: кислорода 33.3%, водорода 66.7%, т.е. один к двум.
Т а б л и ц а 2
Состав газовых смесей после теплового разгона аккумуляторов НКБН-25 -У3 *
Природа газов Серийный номер аккумулятора
№14412 №06301 №24794 №11105
Концентрации газов,%
Н2 85 89 87.2 87
О2 14 10.2 12.1 12.4
Прочие газы 1 0.8 0.7 0.6
* Абсолютная ошибка процентной концентрации газов в таблице 2 составляет 0.3-0.5%.
Если предположить, что в результате теплового разгона из-за высокой температуры распадаются гидроксиды, то при этом увеличилось бы процентное содержание кислорода в газовой смеси, но никак не водорода.
Полученные результаты можно объяснить, только предположив, что водород уже присутствовал в электродах в какой-то форме еще до теплового разгона, а в результате этого процесса, возможно из-за высокой температуры, он выделился в больших количествах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теньковцев В.В., Центнер Б.И. Основы теории эксплуатации герметичных НК аккумуляторов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. С.53.
2. Теньковцев В.В., Леви М.Ж—Н. Герметичные НК аккумуляторы общего назначения. М.: Информстандартэлектро, 1968.
3. Теньковцев В.В., Борисов Б.А., Ткачева Л.Ш. // Сборник работ по ХИТ. Л.: Энергия, 1989. С.59.
4. Совершенствование теории и разработка путей дальнейшего улучшения существующих и создание новых электрохимических источников тока различного назначения: Отчет по НИР (заключительный) / Новочеркас. политехн. ин-т; Руководитель работы Ю.Д.Кудрявцев. 09-026.01.86, № ГР 01830080773, инв. № 02860088631. Новочеркасск, 1986. 205 с. Исполнитель А.Ф.Новикова.
5 . Исследование возможного применения переменного тока для интенсификации процесса формирования и заряда НК аккумуляторов: Отчет по НИР (промежут.) / Новочеркас. поли-техн. ин-т; Руководитель работы Ю.Д.Кудрявцев. 02.01.85, № ГР 01830080773, инв. № 02850059258. Новочеркасск, 1985. 77 с. Исполнитель Л.М.Георгиева.
