CC BY
53
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2008. Т. 8, № 2. С.115-117
УДК541.136.5
ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В ЭЛЕКТРОДАХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СРОКА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Д. Н. Галушкин
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты Ростовской обл., Россия
Поступила в редакцию 06.09.07 г. После переработки 03.12.07 г.
Показано, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов в их электродах накапливается большое количество водорода.
It has been shown that while in service of nickel-cadmium accumulators in their electrodes is collects a great amount of hydrogen.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] показано, что в результате теплового разгона из никель-кадмиевых аккумуляторов выделяется большое количество водорода. В работе [2] установлено, что водород присутствовал в электродах этих аккумуляторов еще до теплового разгона. В данной работе исследуются возможные пути появления водорода в оксидноникелевом и кадмиевом электродах аккумуляторов НКБН-25-У3 и НК-125.
Теоретически можно было бы предположить две версии появления водорода в электродах исследуемых аккумуляторов.
1. Водород появляется в электродах аккумуляторов вследствие некоторых технологических процессов изготовления этих электродов. Тогда в новых аккумуляторах он должен быть в таком же количестве, как и в аккумуляторах, закончивших свой срок эксплуатации.
2. Водород накапливается в электродах никель-кадмиевых аккумуляторов в процессе их эксплуатации.
В обычном режиме эксплуатации батарея 20НКБН-25-У3 стоит в самолете в буферном режиме при напряжении бортовой сети 27-30 В. Следовательно, в среднем каждый аккумулятор батареи находится под напряжением 1.35-1.5 В. При данном напряжении в аккумуляторе происходит медленное разложение воды электролита с выделением на электродах водорода и кислорода.
Аккумулятор НК-125, согласно инструкции по эксплуатации, необходимо заряжать током 31 А в течение шести часов. Следовательно, данному аккумулятору сообщается 186 А-ч, что превышает номинальную емкость аккумулятора НК-125 в 1.5 раза. Таким образом, в данном аккумуляторе при его заряде около 60 А-ч тратится на разложение воды и выделение водорода и кислорода.
Следовательно, в принципе, в результате длительной эксплуатации данных аккумуляторов в их электродах могло бы накопиться достаточное количество водорода. Если считать верным данное предположение, то тогда количество водорода, накопившееся в электродах аккумуляторов, должно зависеть от срока эксплуатации данных аккумуляторов.
Задача исследований в данной работе состоит в проверке этих гипотез.
ИССЛЕДОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ВОДОРОДА В ЭЛЕКТРОДАХ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Для проверки гипотез в ОАО «Аэрофлот-Дон» были отобраны аккумуляторы НКБН-25-У3 без срока эксплуатации и со сроком эксплуатации до 6.5 лет. Кроме того, исследовались аккумуляторы НК-125 без срока эксплуатации и со сроком эксплуатации до 6 лет.
Экспериментальная установка для исследования процесса выделения газа из электродов аккумулятора при их нагревании подробно описана в работе [2].
Так как под действием высокой температуры исследуемый электрод, как правило, частично расплавлялся и прилипал к стенкам термокамеры, то для удобства его извлечения после проведения эксперимента, он помещался в «патрон».
Разложение каждого электрода производилось при температуре 800°С. Данная температура была выбрана на основании следующих соображений. В предварительных опытах было установлено, что начало заметного выделения газа начинается: для кадмиевого электрода с 340°С, а для оксидно-никелевого — с 660°С. Существенное выделение газа начинается для оксидно-никелевого и кадмиевого электродов при температурах более 740°С. Скорость выделения газа увеличивается с ростом температуры, однако, после
© Д. Н. ГАЛУШКИН, 2008
Д. Н. ГАЛУШКИН
800°С этот рост незначительный. Таким образом, температура 800°С была выбрана как оптимальная для термического разложения — как кадмиевого, так и оксидноникелевого электродов.
Разложение каждого электрода происходило до тех пор, пока суточное выделение газа оставалось более 100 мл. Например, для аккумулятора НКБН-25-У3 с длительным сроком эксплуатации терморазложение происходило в среднем: для кадмиевого электрода за 7 дней, а для оксидно-никелевого — за 13 дней, по 11 часов в сутки. В день из электрода выделялось: для кадмиевого электрода от 4.1 л в первые дни до 100-120 мл газа в последние; для оксидноникелевого — от 6 л до 100-150 мл газа.
Количественный анализ состава выделившегося газа производился с помощью объемно-оптического газоанализатора ООГ-2М. Данный прибор способен определять процентный состав газовой смеси, состоящей из углекислого газа, кислорода, оксида углерода (II), водорода и метана. Причем углекислый газ, кислород и оксид углерода (II) определяется газообъемным методом, а метан и водород — оптическим с помощью встроенного интерферометра.
При температурном разложении как оксидно-никелевого, так и кадмиевого электродов, из нового аккумулятора НКБН-25-У3 выделяется около 250 мл газовой смеси. Данный объем находится в пределах точности прибора. Дело в том, что в начальный момент при нагревании электродов в термокамере в приемник газа поступает воздух вследствие его температурного расширения в самой термокамере. По мере нагревания термокамеры из электродов начинает выделяться газ и вместе с нагретым воздухом поступает в приемник. Таким образом, очень сложно было установить момент поступления газа, выделившегося из электродов, в приемник газа.
Результаты экспериментальных исследований для аккумулятора НКБН-25-У3 представлены в табл. 1, а для аккумулятора НК-125 — в табл. 2. В случае аккумулятора НКБН-25-У3 термическому разложению подвергался один электрод, который предварительно сворачивался в трубку и помещался в «патрон». В случае аккумулятора НК-125 термическому разложению подвергались две ламели электрода (это связано с объемом «патрона»), затем, зная число ламелей в электроде, результат пересчитывали для электрода в целом.
Таблица 1
Зависимость среднего объема выделившегося газа (из одного
электрода) от времени эксплуатации при термическом разложении оксидноникелевых и кадмиевых электродов для аккумуляторов НКБН-25-У3
Номер аккумулятора Срок эксплуатации, год Тип электрода Объем выделившегося водорода, л
1 Новый N1 0
еа 0
2 Новый N1 0
еа 0
3 1.1 N1 15
еа 11
4 1.3 N1 26
еа 15
5 1.2 N1 19
еа 13
6 5 N1 34
еа 19
7 5.2 N1 36.8
еа 20.3
8 5.5 N1 34.7
еа 19.8
9 6 N1 36
еа 21
10 6.1 N1 35.7
еа 19.7
11 6.2 N1 36.4
еа 21
Примечание. Относительная ошибка данных составляет 5-7%.
Таблица 2
Зависимость среднего объема выделившегося газа (из одного
электрода) от времени эксплуатации при термическом разложении оксидноникелевых и кадмиевых электродов для аккумуляторов НК-125
Номер аккумулятора Срок эксплуатации, год Тип электрода Объем выделившегося водорода, л
1 Новый N1 0
еа 0
2 1 N1 250
еа 170
3 5 N1 508
еа 350
4 5 N1 518
еа 359
5 5 N1 509
еа 353
6 6 N1 518
еа 359
7 6 N1 510
еа 352
8 6 N1 508
еа 350
Примечание. Относительная ошибка данных составляет 5-7%.
Поэтому была выполнена серия экспериментов по нагреванию пустой термокамеры до различных
Исследование содержания водорода в электродах никель-кадмиевых аккумуляторов в зависимости от срока их
эксплуатации
температур. При нагревании пустой термокамеры до температуры 800°С в приемник газа поступало 200-250 мл воздуха. Количество газа, выделившегося в результате терморазложения новых электродов аккумулятора НКБН-25-У3, находилось почти в этих пределах.
Таким образом, в связи с нагреванием воздуха в термокамере первые 200 мл газа выпускались в атмосферу, а оставшийся газ собирался и анализировался.
Анализ выделившегося из обоих электродов газа, выполненный с помощью газоанализатора ООГ-2М, показал, что выделившийся газ состоит не менее чем на 99% из водорода.
ВЫВОДЫ
Результаты проведенных экспериментов (см. табл. 1, 2) однозначно показывают, что водород накапливается в оксидноникелевом и кадмиевом электродах по мере эксплуатации аккумуляторов, так как количество газа в оксидноникелевом и кадмиевом электродах увеличивается с ростом срока эксплуатации аккумуляторов. Причем новые оксиднонике-левые и кадмиевые электроды не содержат в себе водорода.
При небольших сроках эксплуатации содержание водорода в электродах сильно колеблется. Это связано, по-видимому, с различными условиями эксплуатации аккумуляторов. При больших сроках эксплуатации (более пяти лет) содержание водорода в электродах примерно одинаковое.
В аккумуляторах с длительным сроком эксплуатации накапливается очень большое количество водорода. Так, например, в аккумуляторе НКБН-25-У3 содержится 14 кадмиевых и 15 оксидноникелевых электродов. Следовательно, в одном аккумуляторе НКБН-25-У3 (см. табл. 1, № 11) присутствует примерно: 21-14 + 36,4-15 = 840 л водорода. В аккумуляторе НК-125 содержится пять кадмиевых и шесть ок-сидноникелевых электродов. Следовательно, в одном
аккумуляторе НК-125 (см. табл. 2, №8) присутствует примерно: 508-6 + 350-5 = 4798 л водорода.
Возможность накопления в процессе эксплуатации аккумуляторов данного количества водорода видна из следующих расчетов.
Согласно руководству по технической эксплуатации аккумулятора НКБН-25-У3 его заряд происходит в две ступени. Первая ступень — током 10 А, в течение трех часов; вторая — током 5 А, в течение двух часов. Следовательно, данным аккумулятором сообщается емкость в 1.6 раза превышающая их номинальную емкостью. Повышение зарядной емкости необходимо для полного заряда аккумуляторов. Таким образом, при заряде почти 15 А-ч тратится на разложение электролита и выделение водорода и кислорода.
Следовательно, при одном заряде аккумулятора НКБН-25-У3 выделяется до шести литров водорода и до трех литров кислорода. Таким образом, обнаруженные 840 литров водорода в электродах аккумулятора НКБН-25-У3 могут быть получены за 140 зарядно-разрядных циклов. К концу своего срока эксплуатации аккумулятор НКБН-25-У3 проходит в десять раз больше зарядно-разрядных циклов. Поэтому он в принципе может накопить обнаруженное количество водорода. Аналогичные расчеты для аккумулятора НК-125 показывают, что обнаруженное количество водорода он мог бы накопить всего за 188 зарядно-разрядных циклов.
Для определения того, в какой форме водород накапливается в электродах никель-кадмиевых аккумуляторов, требуются отдельные электрохимические и структурные исследования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галушкина Н. Н., Галушкин Н. Е., Галушкин Д.Н. // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5, № 1 С. 40-42.
2. Галушкина Н. Н., Галушкин Д.Н. // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5, № 3 С. 206-208.
