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)展歷史和其現行的運行維護標準。結合閥控密封式鉛酸蓄電池的基本結構和原理，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；標準；原理；維護

0 引言
閥控密封式鉛酸蓄電池(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)，使其在很多應用領(lǐng)域迅速取代了傳統的防酸隔爆式蓄電池。閥控蓄電池的設計壽命一般大于5年，最長(cháng)可以達到20年以上，但是由于其結構特點(diǎn)，閥控蓄電池的效率和壽命比傳統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(guò)對超過(guò)7萬(wàn)5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實(shí)際使用壽命為4～8年，遠低于其10～20年的設計使用壽命。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(jìn)行更好地維護，延長(cháng)其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來(lái)的安全風(fēng)險。

l 閥控蓄電池發(fā)展
MF、SLA、VRLA都是國內外對閥控蓄電池陸續使用過(guò)的稱(chēng)謂。MF(Maintenance―Free)是免維護蓄電池的簡(jiǎn)稱(chēng)；SLA(Sealed Lead―AcidBattery)是密封鉛酸蓄電池的簡(jiǎn)稱(chēng)；VRLA(ValveRegulated Lead―Acid Battery)直譯應為閥控式鉛酸蓄電池，在一些文獻中也采用了其直譯名稱(chēng)，國標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今的名稱(chēng)。從MF、SLA到VRLA，不僅是名稱(chēng)的改變，也說(shuō)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)的應用可追溯到20世紀30年代。1935年美國為軍用的目的，首次將Pb―Ca合金柵應用于需要低自放電率(浮充)場(chǎng)合。70年代中期，美國的Gates公司推出了現代MF電池。80年代，由于先進(jìn)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，出現了SLA一密封鉛酸蓄電池的稱(chēng)謂。SLA除了采用電池內部氣體復合技術(shù)外，還對電池結構進(jìn)行了改進(jìn)，采用單向氣閥，使電池達到密封。隨著(zhù)排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準確的開(kāi)、閉閥壓力，閥成了氣體復合與防泄漏、密封的主要部件。因而稱(chēng)為VRLA(ValVe Regulated Lead―Acid Battery)閥控密封式鉛酸蓄電池。

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

3 原理、結構及其特點(diǎn)
1)閥控蓄電池的結構和原理
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、貧液式結構和陰極吸附式原理，在電池內部通過(guò)實(shí)現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(lèi)，即采用超細玻璃纖維隔板(AGM)來(lái)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(lèi)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極比正極有多余的容量。當蓄電池充電時(shí)，正極會(huì )析出氧氣，負極會(huì )析出氫氣，正極析氧是在正極充電量達到70％時(shí)就開(kāi)始了，負極析氫則要在充電到90%時(shí)方開(kāi)始，析出的氧到達負極，跟負極起下述反應：2Pb+O2=2PbO；2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。通過(guò)這兩個(gè)反應，達到陰極吸收的目的。再加上氧在負極上的還原作用及負極本身氫過(guò)電位的提高，從而避免了大量析氫反應。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(guò)這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。Gel膠體密封鉛蓄電池內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(jìn)一步收縮，使凝膠出現裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧提供了到達負極的通道。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極建立通道的方式不同。
2)閥控蓄電池的特點(diǎn)
與防酸隔爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點(diǎn)：
(1)固定的電解液，增進(jìn)氧氣從正極向負極的擴散。
(2)內部密封結構和自動(dòng)開(kāi)關(guān)的安全閥。蓄電池在內部壓力下工作，以促進(jìn)氧氣的再化合。蓄電池內部壓力增加到一定程度時(shí)，安全閥自動(dòng)打開(kāi)排氣；而當氣壓將低到規定限度以下時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。
(3)改進(jìn)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，負極板用高純度的鉛鈣合金支撐，這樣的結構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構和內部的氧循環(huán)機制使得其電解液損失小，在使用期間無(wú)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。
(7)對環(huán)境污染小。運行期間酸霧和可燃氣體逸出少。
(8)對使用環(huán)境要求較高，受環(huán)境溫度影響大。