МАЛООБСЛУЖИВАЕМАЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2020 года по МПК H01M10/42 H01M10/52 

Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение готовности транспортных средств, а также вооружения и военной техники.

Известна свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, содержащая корпус, раствор электролита, блоки пластин положительного и отрицательного электродов в корпусе, сепараторы, размещенные между пластинами электродов, крышку корпуса с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы электродов и пробку, расположенных на крышке [Дасоян, М.А. Современная теория свинцового аккумулятора [Текст]: учебник / М.А. Дасоян, И.А. Агуф. - Л.: Энергия, 1975. - 312 с.].

Для подготовки к работе известная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея заряжается пропусканием через него тока от положительного электрода к отрицательному электроду. При этом в аккумуляторной батарее накапливается заданное количество электрического заряда.

Недостатком известной аккумуляторной батареи является то, что с течением времени аккумуляторная батарея постепенно теряет заряд, в частности в летнее время за три месяца до 50%. Этот процесс сопровождается химическими реакциями с выделением водорода и с уменьшением концентрации воды в растворе электролита, что приводит к потере электрической емкости аккумуляторной батареи.

Для восстановления заряда производится заряжение (заряд) аккумуляторной батареи, а для восстановления зарядовой емкости добавлением воды восстанавливается исходное состояние раствора электролита (состав и, соответственно, плотность). Так как выделение водорода происходит вследствие разложения воды, то в аккумуляторе накапливается кислород, приводящий, в конечном итоге, к необратимому уменьшению зарядовой емкости, а соответственно, ресурса работы аккумуляторной батареи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является малообслуживаемая аккумуляторная батарея, содержащая корпус, раствор электролита, блоки пластин положительного и отрицательного электродов в корпусе, сепараторы, размещенные между пластинами электродов, крышку корпуса с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы электродов и пробку, расположенных на крышке [Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство. [Текст]. - М.: Воениздат, 1983. - 183 с.].

Известная малообслуживаемая аккумуляторная батарея приводится в рабочее состояние исходно при изготовлении заливкой раствора электролита в корпус, пропиткой электродов раствором электролита в течение 20 минут, заряжением аккумуляторной батареи до номинальной емкости и герметизацией заливного отверстия пробкой. В процессе эксплуатации происходит саморазряд батареи до допустимого уровня более чем через полгода, то есть за время большее, предусмотренного для обслуживаемых батарей. После первого саморазряда и восстановления рабочего состояния батареи зарядкой и добавлением воды время саморазряда уменьшается, и батарея по режиму обслуживания приближается к обычным батареям.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение объема времени технического обслуживания аккумуляторных батарей, на поддержание готовности к работе, и увеличение ресурса работы.

Технический результат достигается тем, что малообслуживаемую аккумуляторную батарею, содержащую корпус, раствор электролита, блоки пластин положительного и отрицательного электродов в корпусе, сепараторы, размещенные между пластинами электродов, крышку корпуса с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы электродов и пробку, расположенные на крышке, дополнительно снабжают кислородным геттером с корпусом и вакуумным клапаном, водородным генератором с нагревателем, и предохранительным клапаном по максимальному давлению по водороду, соединенными с крышкой корпуса, при этом крышку соединяют с корпусом и пробку, и электрические выводы соединяют с крышкой с вакуумной плотностью и герметично с устойчивостью к повышенному давлению по водороду.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании условий компенсации процесса диссоциации воды процессом принудительной ассоциации водорода и кислорода созданием повышенного парциального давления водорода в корпусной атмосфере и удалением из нее свободного кислорода и созданием повышенного осмотического давления водорода и кислорода в растворе электролита с помощью кислородного геттера и водородного генератора.

Функциональная схема малообслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи приведена на чертеже.

Малообслуживаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (далее - батарея) содержит блоки пластин положительного и отрицательного электродов 1 с сепараторами, расположенные в корпусе 2, щиток предохранительный 3, раствор электролита 4, крышку 6 корпуса 2 с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы 7, 18 блока электродов 1 и пробку 8, расположенные на крышке. Батарея содержит также водородный генератор 9 с нагревателем и электрическими выводами 10, кислородный геттер 14 с корпусом 13 и крышкой 12, вакуумный клапан 15 с ручкой управления 16, а также предохранительный клапан 17 по максимальному давлению водорода, соединенные с газовой атмосферой 5 корпуса 2, расположенные для удобства работы, эксплуатации и обслуживания на пробке 8 заливного отверстия крышки 6 на вакуумной трубке 11, соединенной с крышкой. Крышка 6 соединена с корпусом 2, а также пробка 8 и электрические выводы 7, 18 соединены с крышкой 6 вакуумно плотно и герметично с устойчивостью к повышенному давлению по водороду. Водородный генератор 9 предназначен для компенсации утекающего из корпуса водорода выделением дополнительного водорода из водородного генератора путем нагрева генератора электрическим током, подаваемым через электрические выводы 10.

Батарея работает следующим образом. При приведении батареи в рабочее состояние в корпус 2 с блоком электродов 1 заливается раствор электролита 4 плотностью 1,26 г/см³. В течение 20-40 минут производится естественная пропитка пористых активных масс электродов раствором электролита. Водородный генератор 9 насыщается водородом. Кислородный геттер 14 активируется с формированием способности поглощения свободного кислорода из газовой атмосферы 5 корпуса 2. Предохранительный клапан 17 проверяется на срабатывание по максимально допустимому давлению водорода. Корпус 2 с крышкой 6 и пробка 8 проверяются на герметичность по предельно допустимому значению давления, а также на вакуумную плотность по атмосферному воздуху. После пропитки блока электродов 1 и подготовительной тренировки батарея заряжается до номинальной емкости при открытой пробке 8 и по окончании заряда (заряжения) герметизируется пробкой 8 в отверстии для заливки раствора электролита 4. В режиме токоотбора происходят поверхностные электрохимические реакции, в результате которых выделяется водород как продукт диссоциации молекул серной кислоты. В результате реакций образуются сульфаты на поверхностях электродов, что приводит к нарушению равновесия в растворе электролита по стехиометрии состава электролит-растворитель, по коэффициентам диссоциации молекул электролита и гидратации (сольватации) кислотных ионов. Токопрохождение и поверхностные ox-red реакции приводят к диссоциации молекул растворителя с образованием свободного кислорода. В результате всех химических и электрохимических процессов на поверхностях электродов выделение водорода ведет к пропорциональному по количеству выделения кислорода. При этом из-за меньшей энергии связи с электролитом в сравнении с кислородом покидает электролит, что ведет к нестехиометричному накоплению кислорода. Это активирует образование гидратов свинца на поверхностях электродов, что необратимо выводит из рабочего состояния поверхности обоих электродов и преимущественно положительного электрода, активирует поверхностные ox-red реакции. Для уменьшения активности этих процессов необходимо уменьшать испарение водорода и возвращать уходящий водород обратно в раствор электролита. Это достигается повышением парциального давления водорода в газовом пространстве 5 над раствором электролита 4. Повышенное парциальное давление повышает осмотическое давление водорода в растворе электролита, что уменьшает испарение водорода, ускоряет химическую реакцию со свободным кислородом по образованию воды и соответственно, восстановлению исходного состояния состава раствора электролита. Для активизации этих восстановительных процессов нужно дополнительно из внешнего источника выделить дополнительный, избыточный водород из водородного генератора 9, встроенного в пробку 8 заливного отверстия крышки 6 корпуса 2. Водородным источником твердотельного типа, например из иодидного титана, можно создавать давление, значительно превышающее атмосферное давление. Для подготовки к работе водородный источник обезгаживается при температурах, близких к температуре плавления при изготовлении вне батареи. Затем температура титана снижается на 100-200°С и напускается в камеру водород постепенно до атмосферного давления, что приводит к насыщению титана водородом. После насыщения титана водородом температура титана резко снижается. Получение водорода из такого титанового источника осуществляется небольшим повышением температуры пропусканием электрического тока через электрические выводы 10. Интенсивное испускание водорода происходит при температурах значительно ниже 100°С.

Кислородный поглотитель (геттер) в зависимости от типа может действовать при комнатной температуре, например геттер из любого чистого щелочного металла. После изготовления кислородный геттер 14 помещается в корпус 13 и защищается от воздействия атмосферы воздуха вакуумным клапаном 15 и вакуумноплотной крышкой 12. Процесс поглощения кислорода заключается в необратимом связывании атомов кислорода атомами щелочного металла. Высокий коэффициент аккомодации (связывания) кислорода на поверхности обеспечивает высокую скорость удаления кислорода. Снижение парциального давления кислорода в газовом пространстве аккумулятора не ведет к заметному снижению осмотического давления свободного кислорода в растворе, так как энергия связи кислорода с жидкостью превышает Е>3 эВ. Геттерирование свободного кислорода направлено на устранение вероятности образования взрывной (гремучей) смеси кислорода с водородом в газовом пространстве корпуса над электролитом, образующейся в пределах содержания водорода 4-94% в составе воздуха, содержащего 23% кислорода. В результате геттерирования кислорода из воздушного пространства корпуса состав атмосферы изменяется. Свободный кислород удаляется полностью до концентрации ниже 1%. Газовая атмосфера корпуса содержит азот, водород, пары воды и некоторое количество углекислого газа.

Из практики известно, что работоспособность батареи зависит, в основном от календарного времени жизни. Аккумуляторные батареи с залитым электролитом, независимо от интенсивности использования и даже только при хранении теряют работоспособность (зарядовую емкость) по истечении 4-5 лет. Наиболее вероятной причиной такого результата являются необратимые химические реакции, изменяющие электродные потенциалы электродных материалов, что связано напрямую с изменением состава внешнего моноатомного слоя поверхности и, соответственно, работы выхода поверхностей электродов. Связывание водородом свободного кислорода уменьшает скорости поверхностных реакций и увеличивает время жизни и ресурс работы аккумулятора. Управление действием геттера можно осуществлять механическим вскрытием ампул с порошком активного геттера, или размещением активного материала в отдельной камере 13, соединяемой с пробкой 8 батареи через клапан 15 с регулируемой пропускной способностью, определяемой условиями работы и характеристиками вакуумной техники.

Сопоставительный анализ показал, что предлагаемое техническое решение позволяет повышением парциального давления водорода в газовой атмосфере корпуса над электролитом возвращать испаряющийся водород в раствор электролита, уменьшать скорость ухода водорода в целом и с помощью водородного генератора восполнять его утечки через несовершенства герметизирующих соединений. Это позволяет продлить время необслуживаемости по восполнению растворителя (воды) на весь период рабочего цикла аккумулятора. Связывание свободного кислорода в растворе электролита задерживаемым водородом в растворе и повышением осмотического давления водорода за счет повышения его парциального давления в газовой атмосфере герметизацией корпуса и добавлением водорода из водородного генератора снижает и устраняет необратимые реакции гидратации поверхностей электродов. При этом удалением свободного кислорода из газовой атмосферы герметизированного корпуса кислородным геттером устраняется вероятность образования гремучей смеси. Возврат водорода в раствор и связывание кислорода позволяют снизить деструкцию раствора за счет ухода водорода. Снижение гидратации продлевает срок службы аккумуляторной батареи, по меньшей мере, в полтора раза. Снижение деструкции раствора устраняет необходимость доливания воды. Доливание воды заменяется процессом возврата водорода в раствор электролита. При налаженном процессе возврата водорода операция доливания воды устраняется, и герметизированная батарея в предлагаемом исполнении не нуждается в обслуживании (по доливке воды).

Технико-экономическое обоснование на предлагаемое изобретение

«Малообслуживаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея»,

авторы Набатчиков А.В., Рогачев В.Д., Волков С.С., Пузевич Н.Л., Кочуров А.А., Карпов А.А.

Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение готовности транспортных средств, а также вооружения и военной техники.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение объема времени технического обслуживания аккумуляторных батарей, на поддержание готовности к работе, и увеличение ресурса работы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании условий компенсации процесса диссоциации воды процессом принудительной ассоциации водорода и кислорода созданием повышенного парциального давления водорода в корпусной атмосфере и удалением из нее свободного кислорода и созданием повышенного осмотического давления водорода и кислорода в растворе электролита с помощью кислородного геттера и водородного генератора.

Сопоставительный анализ показал, что предлагаемое техническое решение позволяет продлить срок службы батареи в полтора раза, продлить время необслуживаемости по восполнению растворителя (воды) на весь период рабочего цикла аккумулятора и устранить операцию доливания воды.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству малообслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, и может быть использовано при эксплуатации транспортных средств для обеспечения поддержания их готовности к работе. Малообслуживаемая аккумуляторная батарея содержит корпус с раствором электролита, блоками пластин положительного и отрицательного электродов, сепараторы, размещенные между пластинами электродов, крышку корпуса с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы электродов и пробку, расположенную на крышке, а также кислородный геттер с корпусом и вакуумным клапаном, водородный генератор с нагревателем и предохранительным клапаном по максимальному давлению по водороду, соединенные с крышкой корпуса, при этом крышка соединена с корпусом и пробкой, электрические выводы соединены с крышкой с вакуумной плотностью и герметично с устойчивостью к повышенному давлению по водороду. Повышение срока службы батареи при увеличении срока хранения за счет снижения саморазряда батареи является техническим результатом изобретения. 1 ил.

Малообслуживаемая аккумуляторная батарея, содержащая корпус, раствор электролита, блоки пластин положительного и отрицательного электродов в корпусе, сепараторы, размещенные между пластинами электродов, крышку корпуса с отверстием для заливки раствора электролита, электрические выводы электродов и пробку, расположенные на крышке, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена кислородным геттером с корпусом и вакуумным клапаном, водородным генератором с нагревателем и предохранительным клапаном по максимальному давлению водорода, соединенными с крышкой корпуса, при этом крышка соединена с корпусом и пробкой, и электрические выводы соединены с крышкой с вакуумной плотностью и герметично с устойчивостью к повышенному давлению по водороду.