СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЭЛЕКТРОЛИТОМ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2000 года по МПК H01M10/10 H01M12/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при заправке химических источников тока, а именно для заправки электролитом никель-водородных аккумуляторных батарей фильтрпрессной конструкции с общим газовым коллектором.

Известны способы заправки электролитом никель-водородных аккумуляторных батарей путем полного замачивания электрохимической группы. Необходимая степень заполнения электролитом электрохимической группы обеспечивается при наличии резервуара, из которого электролит попадает в электрохимическую группу с помощью специальных пористых фитилей.

Так, в способе по заявке РСТ N 99-11626 (H 01 M 10/34, пр. 04.10.90 г.) предлагается подводить электролит к окисно-никелевому электроду через поглотитель от модуля, в котором он находится. Такая конструкция не обеспечивает полного замачивания пор электрохимической группы батареи по причине их остаточной газозаполненности и гидрофобности. Не полное замачивание уменьшает активную поверхность окисно-никелевого электрода. Кроме того, это приводит к увеличению массогабаритных характеристик никель-водородной аккумуляторной батареи и в целом к ухудшению ее удельных энергетических характеристик.

В способе, описанном в патенте США N 5173376 (H 01 M 12/08, пр. 28.10.91 г.), предлагается подводить электролит к сепаратору через фитиль от электролито-адсорбционного слоя. Данный способ заправки электролитом батареи также не обеспечивает полного замачивания окисно-никелевых электродов по тем же причинам, что и изложенный выше способ, а кроме того, батарея обладает большими габаритами. Помимо этого данный способ нежелателен при заправке электролитом аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких элементов в одном корпусе, т.к. при применении его возможны перетечки электролита между элементами, что значительно сокращает ресурс работы батареи.

В патенте США N 5128600 (H 01 M 10/10, пр. 17.12.90 г.) описан способ удаления излишков электролита в герметичном аккумуляторе путем присоединения переполненной батареи аккумулятора к сборнику электролита через пористый фильтр и последующим зарядом батареи с заданной скоростью в течение определенного времени. Выделяющийся при этом кислород создает давление, которое вытесняет избыток электролита из элементов батареи через фильтр в сборник электролита. Контроль за удалением электролита осуществляется измерением выделившегося при заряде кислорода. Такой способ не обеспечивает поэлементную равномерность заправки электролитом в виду того, что интенсивность выделения кислорода может изменяться по элементам батареи, и, следовательно, количество удаленного электролита из каждого элемента будет различно.

Наиболее близким к заявляемому способу заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи является способ заправки электролитом, осуществляемый с помощью устройства, описанного в авторском свидетельстве N 1820427 (H 01 M 2/36, пр. 05.04.91 г.)
Согласно этому способу заправку электролитом батареи предлагается проводить, используя предварительное вакуумирование. Дозировку электролита в герметичном аккумуляторе проводят путем определения уровня электролита в аккумуляторе через специальный индикатор. После этого измеряют величину свободного газового пространства и удаляют излишки электролита путем его выдавливания избыточным давлением.

Недостатком данного способа является то, что он не гарантирует полного заполнения электролитом порового объема батареи, так как при вытеснении излишка электролита не обеспечивается равномерность его удаления из элементов аккумулятора в виду возможных различий пористого объема между отдельными элементами. Кроме того, этот способ не обеспечивает полного замачивания пор электрохимической группы батареи в следствие их остаточной газозаполненности и гидрофобности. Это приводит к уменьшению активной поверхности окисно-никелевых электродов.

Помимо этого данный способ нежелателен при заправке электролитом аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких элементов в одном корпусе, т.к. при применении его возможны перетечки электролита между элементами, что значительно сокращает ресурс работы батареи. При заливке же данным способом аккумуляторов в одном сосуде не удаляется электролит с внешней поверхности батареи, что приводит к образованию электролитических мостиков между элементами и тем самым сокращает ресурс работы батареи.

Задачей заявляемого технического решения является способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи, позволяющий обеспечить максимальное заполнение электролитом порового пространства электрохимической группы батареи и последующее доведение его количества и концентрации до необходимой величины.

Для решения поставленной задачи заявляется способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи, включающий вакуумную пропитку электродов электролитом до полного заполнения и удаления излишка электролита испарением из него воды, дополнительно включающий прогрев никель-водородной аккумуляторной батареи перед вакуумной пропиткой и последующими операциями до температуры 60-86^oC, испарение излишков воды из электролита из предварительно нагретой до температуры 70-85^oC никель-водородной аккумуляторной батареи в камеру, в которой поддерживается давление, равное давлению упругости пара над электролитом заданной концентрации, и определение количества удаленной воды путем ее конденсации и измерения ее объема.

Предварительный нагрев никель-водородной аккумуляторной батареи до температуры 60-85^oC перед вакуумированием и последующей пропиткой обеспечивает удаление из пор электрохимической группы воздуха и воды, что приводит к их одинаковому начальному состоянию и обеспечивает практически полное заполнение всех пор в ходе последующего замачивания.

Объем электролита, который необходимо оставить в батарее при осушке (уменьшении объема электролита до заданной величины), задается на основании экспериментально определяемой зависимости электрических характеристик от электролитосодержания. В зависимости от конструкции и состава комплектующих электрохимической группы величина оптимального электролитосодержания может варьироваться от 60 до 90%. Согласно заявляемому техническому решению уменьшение объема электролита до заданной величины производится на предварительно нагретой до температуры 70-85^oC батареи в камеру, в которой поддерживается давление, равное давлению упругости пара над электролитом заданной концентрации.

Заявляемый интервал температур обусловлен следующим. Температура батареи ниже 70^oC не обеспечивает быстрого и эффективного испарения паров воды из щелочного электролита.

При температуре батареи выше 85^oC происходят необратимые структурные изменения активной массы окисно-никелевого электрода, которые приводят к потере электрической емкости батареи.

Определение количества удаленной воды, согласно заявляемому способу, производится путем ее конденсации и измерения ее объема.

Способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи, согласно предлагаемому изобретению, осуществляют следующим образом по схеме, приведенной на чертеже.

Собранную батарею помещают в камеру заправки (1) и проверяют ее герметичность. Камеру заправки и находящуюся в ней батарею нагревают при помощи находящегося в ней нагревателя (9) источником питания (5) до температуры 60-85^oC. Контроль температуры ведут с помощью датчика (10). Затем проводят вакуумирование камеры заправки, при открытии вентиля (14) системы подачи вакуума (2), вместе с батареей не менее 6 часов при давлении не более 0,1•10⁵ Па (0,1 кг/см²). Давление контролируют манометром (11). Затем заполняют камеру заправки электролитом из емкости через вентиль (12) до полного заполнения батареи. Закрыв вентиль (14), заполняют пространство над зеркалом электролита в камере заправки аргоном, открыв вентиль (13), - системы подачи аргона (3). Батарею выдерживают в электролите в течение 6 часов, контролируя температуру. После выдержки электролит из камеры заправки выдавливают аргоном в емкость (4) через вентиль (12) и продувают камеру заправки для удаления остатков электролита с внутренней поверхности.

Для приведения объема электролита к заданной величине плавно уменьшают давление в камере заправки (0,1•10⁵ Па/мин) через вентиль (14), до начала конденсации воды в мерном цилиндре (6), после этого вентиль (14) закрывают. Воду, выпариваемую из электролита, конденсируют в теплообменнике (7), который охлаждают теплоносителем через систему теплообмена (8). В качестве теплоносителя может служить вода. Температура теплоносителя должна быть достаточна для конденсации и определяться концентрацией электролита (конечной) и давлением насыщенных паров в камере заправки. После сбора заданного количества конденсата отключают нагрев камеры заправки и заполняют ее аргоном до атмосферного давления. Когда батарея остынет, ее вынимают из камеры заправки и помещают в технологическую емкость, наполненную аргоном.

Описанным способом было выполнено 40 заправок электролитом никель-водородных аккумуляторных батарей типа 18НВ-100 и 10 заправок батарей типа 21НВ-4. Заявляемый способ показал высокую воспроизводимость по приведению количества электролита в никель-водородной аккумуляторной батарее к заданной величине. Наиболее эффективен заявляемый способ при заправке электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи, аккумуляторные элементы которой находятся в едином сосуде.

Источники информации
1. Заявка РСТ N 99/11626, H 01 M 10/34, пр. 04.10.90 г.

2. Патент США N 5173376, H 01 M 12/08, пр. 28.10.91 г.

3. Патент США N 5128600, H 01 M 10/10, пр. 17.12.90 г.

4. Авторское свидетельство СССР N 1820427, H 01 M 10/10, пр. 17.12.90 г.

Изобретение относится к производству аккумуляторов, в частности к способам заправки электролитом. Способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи включает вакуумную пропитку электродов электролитом до полного заполнения и удаления излишка электролита испарением из него воды. Перед вакуумной пропиткой в электролите и последующих операциях заправки батарею прогревают до температуры 60 - 85^oС. Испарение излишка воды из электролита проводится из предварительно нагретой до температуры 70-85^oС батареи в камеру, в которой поддерживается давление, равное упругости пара над электролитом конечной концентрации. Определение количества удаленной воды производится путем ее конденсации и измерения ее объема. Технический результат - улучшение заполнения электролитом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи, включающий вакуумную пропитку электродов электролитом до полного заполнения и удаления излишка электролита испарением из него воды, отличающийся тем, что перед вакуумной пропиткой в электролите и последующими операциями заправки батарею прогревают до температуры 60 - 85^oC. 2. Способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи по п. 1, отличающийся тем, что испарение излишка воды из электролита приводится из предварительно нагретой до температуры 70 - 85^oC батареи в камеру, в которой поддерживается давление, равное давлению упругости пара над электролитом заданной концентрации. 3. Способ заправки электролитом никель-водородной аккумуляторной батареи по п. 2, отличающийся тем, что определение количества удаленной воды проводится путем ее конденсации и измерения ее объема.