新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)蓄電池的作用

 

摘要：每臺柴油發(fā)電機(jī)必須配有啟動電瓶，由于它主要作用是用于啟動柴油發(fā)電機(jī)組的動力能源，提供電流一般為200～600A，所以稱為啟動蓄電池。其原理是進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)后，蓄電池里的電能就會和柴油機(jī)的電動起動機(jī)導(dǎo)通，起動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動柴油機(jī)，使柴油機(jī)啟動并正常運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)常用蓄電池的電壓有12V和24V兩種，其中，12V蓄電池用于小型柴油機(jī)的啟動；多缸柴油機(jī)通常采用24V蓄電池，通常用兩只12V蓄電池串聯(lián)起來使用。

 

一、啟動蓄電池結(jié)構(gòu)

 

      普通鉛蓄電池具有價格低廉、供電可靠和電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)組的啟動系統(tǒng)。但是普通鉛蓄電池在使用過程中，需要經(jīng)常添加電解液，而且還會產(chǎn)生腐蝕性氣體，污染環(huán)境，損傷設(shè)備。閥控式鉛蓄電池具有密封性好、無泄漏和無污染等特點(diǎn)，能夠保證各種電氣設(shè)備的安全，在使用過程中不需添加電解液，其使用越來越普遍。普通鉛蓄電池與其他蓄電池一樣，主要由電極（正負(fù)極板）、電解液、隔板、電池槽和其他一些零件如端子、連接條及排氣栓等組成。

 1、電極

      電極又稱極板，極板有正極板和負(fù)極板之分，由活性物質(zhì)和板柵兩部分構(gòu)成的。正、負(fù)極的活性物質(zhì)分別是棕褐色的二氧化鉛（PbO₂）和灰色的海綿狀鉛（Pb）。極板依其結(jié)構(gòu)可分為涂膏式和管式，如圖1所示。

（1）極板的作用：

      極板在蓄電池中的作用，一是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換；二是傳導(dǎo)電流。

（2）板柵的作用：

     板柵在極板中的作用，一是作活性物質(zhì)的載體，因為活性物質(zhì)呈粉末狀，必須有板柵作載體才能成形；二是實現(xiàn)極板傳導(dǎo)電流的作用，即依靠其柵格將電極上產(chǎn)生的電流傳送到外電路，或?qū)⑼饧与娫磦魅氲碾娏鱾鬟f給極板上的活性物質(zhì)。為了有效地保持住活性物質(zhì)，常常將板柵造成具有截面積大小不同的橫、豎筋條的柵欄狀，使活性物質(zhì)固定在柵欄中，并具有較大的接觸面積。

      常用的板柵材料有鉛銻合金、鉛銻砷合金、鉛銻砷錫合金、鉛鈣合金、鉛鈣錫合金、鉛鍶合金、鉛銻鎘合金、鉛銻砷銅錫硫（硒）合金和鍍鉛銅等。普通鉛蓄電池采用鉛銻系列合金作板柵，其電池的自放電比較嚴(yán)重；而閥控式密封鉛蓄電池采用無銻或低銻合金板柵，可減少電池的自放電，以減少電池內(nèi)水分的損失。

      將若干片正或負(fù)極板在極耳部焊接成正或負(fù)極板組，以增大電池的容量，極板片數(shù)越多，電池容量越大。通常負(fù)極板組的極板片數(shù)比正極板組的要多一片。組裝時，正負(fù)極板交錯排列，使每片正極板都夾在兩片負(fù)極板之間，如圖2所示。其目的是使正極板兩面都均勻地起電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生相同的膨脹和收縮，減少極板彎曲的機(jī)會，以延長電池的壽命。

 

圖1  發(fā)電機(jī)組蓄電池涂膏式與管式極板的板柵

圖2  發(fā)電機(jī)組蓄電池正負(fù)極板交錯排列

 

2、電解液

（1）電解液在電池中的作用

① 與電極活性物質(zhì)表面形成界面雙電層，建立起相應(yīng)的電極電位；

② 參與電極上的電化學(xué)反應(yīng)；

③ 起離子導(dǎo)電的作用。

      鉛蓄電池的電解液是用純度在化學(xué)純以上的濃硫酸和純水配制而成的稀硫酸溶液，其濃度用15℃時的密度來表示。鉛蓄電池的電解液密度范圍的選擇，不僅與電池的結(jié)構(gòu)和用途有關(guān)，而且與硫酸溶液的凝固點(diǎn)、電阻率等性質(zhì)有關(guān)。

（2）硫酸溶液的特性

      純的濃硫酸是無色透明的油狀液體，15℃時的密度是1.8384kg/L，它能以任意比例溶于水中，與水混合時釋放出大量的熱，具有極強(qiáng)的吸水性和脫水性。鉛蓄電池的電解液就是用純的濃硫酸與純水配制成的稀硫酸溶液。

① 硫酸溶液的凝固點(diǎn)。

      硫酸溶液的凝固點(diǎn)隨其濃度的不同而不同，將15℃時密度各不相同的硫酸溶液冷卻，可測得其凝固溫度，并繪制成凝固點(diǎn)曲線如圖3所示。由圖可見，密度（15℃）為1.290kg/L的稀硫酸具有最低的凝固點(diǎn)，約為-72℃。啟動用鉛蓄電池在充足電時的電解液密度（15℃）為1.28～1.30kg/L，可以保證電解液即使在野外嚴(yán)寒氣候下使用也不凝固。但是，當(dāng)蓄電池放完電后，其電解液密度（15℃）可低于1.15kg/L，所以放完電的電池應(yīng)避免在-10℃以下的低溫中放置，并應(yīng)立即對電池充電，以免電解液凍結(jié)。

② 硫酸溶液的電阻率。

      作為鉛蓄電池的電解液，應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能，使蓄電池的內(nèi)阻較小。硫酸溶液的導(dǎo)電特性，可用電阻率來衡量。而其電阻率的大小，隨溫度和密度的不同而有所不同，如表1所列。

表1    各種密度的硫酸溶液的電阻率

     由圖4可見，當(dāng)硫酸溶液的密度（15℃）在1.15～1.30kg/L之間時，電阻較小，其導(dǎo)電性能良好，所以，鉛蓄電池都采用此密度范圍內(nèi)的電解液。當(dāng)其密度（15℃）為1.200kg/L時，電阻率最小。由于固定用防酸隔爆式鉛蓄電池的電解液量較多，為了減小電池的內(nèi)阻，可采用密度（15℃）接近于1.200kg/L的電解液，所以選用密度（15℃）為1.200～1.220kg/L的電解液。

 

圖3  發(fā)電機(jī)組蓄電池硫酸溶液的凝固特性

圖4  蓄電池硫酸溶液的電阻率

 

③ 硫酸溶液的收縮性。

      濃硫酸與水配制成稀硫酸時，配成的稀硫酸的體積比原濃硫酸和水的體積之和要小。這是由于硫酸分子和水分子的體積相差很大。其收縮量隨配制的稀硫酸的密度大小而異，當(dāng)稀硫酸的密度（15℃）小于1.600kg/L時，收縮量隨密度的增加而增加；當(dāng)稀硫酸的密度（15℃）高于1.600kg/L時，收縮量隨密度的增加反而減小。如表2所示。 

表2    硫酸的收縮量

 

④ 硫酸溶液的黏度。

      硫酸溶液的黏度與溫度和濃度有關(guān)，溫度越低、濃度越高，則其黏度越大。濃度較高的硫酸溶液，雖然可以提供較多的離子，但由于黏度的增加，反而影響離子的擴(kuò)散，所以鉛蓄電池的電解液濃度并非越高越好，過高反而降低電池容量。同樣，溫度太低，電解液的黏度太大，影響電解液向活性物質(zhì)微孔內(nèi)擴(kuò)散，使放電容量降低。硫酸溶液在各種溫度下的黏度如表3所示。

表3   硫酸溶液的黏度隨溫度和濃度的變化

 

注：表中各列數(shù)據(jù)分別為不同濃度（10％、20％、30％、40％、50％）硫酸溶液隨溫度變化的黏度值，單位為10^-3Pa·s。

（2）電解液的純度與濃度

① 電解液的純度。

     普通鉛蓄電池在啟用時，都必須由使用者配制合適濃度（用密度表示）的電解液。閥控式密封鉛蓄電池的電解液在生產(chǎn)過程中已經(jīng)加入電池當(dāng)中，使用者購回電池后可直接將其投入使用，而不必灌注電解液和初次充電。普通鉛蓄電池用的硫酸電解液，必須使用規(guī)定純度的濃硫酸和純水來配制。因為使用含有雜質(zhì)的電解液，不但會引起自放電，而且會引起極板腐蝕，使電池的放電容量下降，并縮短其使用壽命。

      化學(xué)試劑的純度按其所含雜質(zhì)量的多少，分為工業(yè)純、化學(xué)純、分析純和光譜純等。工業(yè)純的硫酸雜質(zhì)含量較高，從外觀看呈現(xiàn)一定的顏色，不能用于配制鉛蓄電池的電解液。用于配制鉛蓄電池電解液的濃硫酸的純度，至少應(yīng)達(dá)到化學(xué)純。配制電解液用的水必須用蒸餾水或純水。在實際工作中常用其電阻率來表示純度，鉛蓄電池用水的電阻率要求＞100kΩ·cm（即體積為1cm³的水的電阻值應(yīng)大于100kΩ）。

② 電解液的濃度。

      鉛蓄電池電解液濃度通常用15℃時的密度來表示。對于不同用途的蓄電池，電解液的密度也各不相同。對于防酸隔爆式鉛蓄電池來說，其體積和重量無嚴(yán)格限制，可以容納較多的電解液，使放電時密度變化較小，因此可以采用較稀而且電阻率最低的電解液。不同用途的鉛蓄電池所用電解液的密度（充足電后應(yīng)達(dá)到的密度）范圍列于表4中。

表4    鉛蓄電池電解液密度

3、隔板（膜）

      隔板（膜）的作用是防止正、負(fù)極因直接接觸而短路，同時要允許電解液中的離子順利通過。組裝時將隔板（膜）置于正負(fù)極板之間。用作隔板（膜）的材料必須滿足以下要求。

① 化學(xué)性能穩(wěn)定

      隔板（膜）材料必須有良好的耐酸性和抗氧化性，因為隔板（膜）始終浸泡在具有相當(dāng)濃度的硫酸溶液中，與正極相接觸的一側(cè)，還要受到正極活性物質(zhì)以及充電時產(chǎn)生的氧氣的氧化。

② 具有一定的機(jī)械強(qiáng)度

      極板活性物質(zhì)因電化學(xué)反應(yīng)會在鉛和二氧化鉛與硫酸鉛之間發(fā)生變化，而硫酸鉛的體積大于鉛和二氧化鉛，所以在充放電過程中極板的體積有所變化，若維護(hù)不好，極板會發(fā)生變形。由于隔板（膜）處于正負(fù)極板之間，而且與極板緊密接觸，所以必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度才不會因為破損而導(dǎo)致電池短路。

③ 不含有對極板和電解液有害的雜質(zhì)

      隔板（膜）中有害的雜質(zhì)可能會引起電池的自放電，提高隔板（膜）的質(zhì)量是減少電池自放電的重要環(huán)節(jié)之一。

④ 微孔多而均勻

      隔板（膜）的微孔主要是保證硫酸電離出的H＋和SO2-能順利地通過隔板（膜），并到達(dá)正負(fù)極與極板上的活性物質(zhì)起電化學(xué)反應(yīng)。隔板（膜）的微孔大小應(yīng)能阻止脫落的活性物質(zhì)通過，以免引起電池短路。

⑤ 電阻小

      隔板（膜）的電阻是構(gòu)成電池內(nèi)阻的一部分，為了減小電池的內(nèi)阻，隔板（膜）的電阻必須要小。

      具有以上性能的材料就可以用于制作隔板（膜）。早期采用的木隔板具有多孔性和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械強(qiáng)度低且耐酸性差，現(xiàn)已被淘汰；20世紀(jì)70年代至90年代初期，主要采用微孔橡膠隔板；之后相繼出現(xiàn)了PP（聚丙烯）隔板、PE（聚乙烯）隔板和超細(xì)玻璃纖維隔膜及其他的復(fù)合隔膜。

4、電池槽及蓋

      電池槽的作用是用來盛裝電解液、極板、隔板（膜）和附件等。用于電池槽的材料必須具有耐腐蝕、耐振動和耐高低溫等性能。用作電池槽的材料有多種，根據(jù)材料的不同可分為玻璃槽、襯鉛木槽、硬橡膠槽和塑料槽等。早期的啟動用鉛蓄電池主要用硬橡膠槽，中小容量的固定用鉛蓄電池多用玻璃槽，大容量的則用襯鉛木槽。20世紀(jì)60年代以后，塑料工業(yè)發(fā)展迅速，啟動用電池的電池槽逐漸用PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PPE（聚丙烯和聚乙烯共聚物）代替，固定用電池則用改性聚苯乙烯（AS）代替。

      電池槽的結(jié)構(gòu)也根據(jù)電池的用途和特性而有所不同。比如普通鉛蓄電池的電池槽結(jié)構(gòu)有只裝一只電池的單一槽和裝多只電池的復(fù)合槽兩種，前者用于單體電池（如固定用防酸隔爆式鉛蓄電池），后者用于串聯(lián)電池組（如啟動用鉛蓄電池）。電池蓋上有正負(fù)極柱、排氣裝置、注液孔等。如啟動用鉛蓄電池的排氣裝置就設(shè)置在注液孔蓋上；防酸隔爆式鉛蓄電池的排氣裝置為防酸隔爆帽；閥控式密封鉛蓄電池的排氣裝置是一單向排氣閥。

5、附件

① 支承物

      普通鉛蓄電池內(nèi)的鉛彈簧或塑料彈簧等支承物，起著防止極板在使用過程中發(fā)生彎曲變形的作用。

② 連接物

      連接物又稱連接條，是用來將同一蓄電池內(nèi)的同極性極板連接成極板組，或者將同型號電池連接成電池組的金屬鉛條，起連接和導(dǎo)電的作用。單體蓄電池間的連接條可以在蓄電池蓋上面（如圖5所示），也可以采用穿壁內(nèi)連接方式連接電池（如圖6所示），后者可使蓄電池外觀整潔、美觀。

③ 絕緣物

      在安裝固定用鉛蓄電池組的時候，為了防止電池漏電，在蓄電池和木架之間，以及木架和地面之間要放置絕緣物，一般為玻璃或瓷質(zhì)（表面上釉）的絕緣墊腳。為使電池平穩(wěn)，還需加軟橡膠墊圈。這些絕緣物應(yīng)經(jīng)常清洗，保持清潔，不讓酸液及灰塵附著，以免引起蓄電池漏電。

圖5 鉛蓄電池的構(gòu)造（外部連接方式）

圖6 發(fā)電機(jī)組鉛蓄電池結(jié)構(gòu)（穿壁內(nèi)連接方式）

 

二、啟動蓄電池的作用和原理

 

1、啟動蓄電池的作用

（1）啟動蓄電池在柴油發(fā)電機(jī)組中扮演著至關(guān)重要的角色，主要負(fù)責(zé)提供啟動柴油機(jī)時所需的強(qiáng)大電流，幫助起動機(jī)順利運(yùn)作，從而啟動柴油機(jī)，如圖7所示。

（2）除了在柴油機(jī)啟動時向啟動馬達(dá)提供必要的電力外（如圖8所示），啟動蓄電池還能替代充電發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電，保證柴油發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）啟動蓄電池還能吸收機(jī)內(nèi)電路中產(chǎn)生的瞬間高壓，保護(hù)用電設(shè)備免受損害，并且，在發(fā)電機(jī)端電壓高于蓄電池電壓時，啟動蓄電池能將一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，為柴油發(fā)電機(jī)組提供持續(xù)的能量來源。

 

圖7  柴油發(fā)電機(jī)啟動系統(tǒng)示意圖

圖8  啟動馬達(dá)工作過程示意圖

 

2、放電過程

      經(jīng)長期的實踐證明，“雙極硫酸鹽化理論”是最能說明鉛蓄電池工作原理的學(xué)說。該理論可以描述為：鉛蓄電池在放電時，正負(fù)極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛（PbSO4），充電后又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛（PbO2），負(fù)極轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛（Pb）。

      當(dāng)鉛蓄電池接上負(fù)載時，外電路便有電流通過。圖9表明了放電過程中兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。有關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)為：

① 負(fù)極反應(yīng) ：Pb－2e＋SO2 4→PbSO₄；

② 正極反應(yīng)：PbO₂＋2e＋4H^＋＋SO2 4→PbSO₄＋2H₂O；

③ 電池反應(yīng)：Pb＋4H^＋＋2SO2— 4＋PbO₂→2PbSO₄＋2H₂O或 Pb＋2H₂SO₄＋PbO₂→PbSO₄＋2H₂O＋PbSO₄。

      從上述電池反應(yīng)可以看出，鉛蓄電池在放電過程中兩極都生成了硫酸鉛，隨著放電的不斷進(jìn)行，硫酸逐漸被消耗，同時生成水，使電解液的濃度（密度）降低。因此，電解液密度的高低反映了鉛蓄電池放電的程度。對富液式鉛蓄電池來說，密度可以作為電池放電終了的標(biāo)志之一。通常，當(dāng)電解液密度下降到1.15～1.17kg/L左右時，應(yīng)停止放電，否則蓄電池會因過量放電而遭到損壞。

3、充電過程

（1）電極反應(yīng)

      當(dāng)鉛蓄電池接上充電器時，外電路便有充電電流通過。圖10表明了充電過程中兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。有關(guān)的電極反應(yīng)為：

① 負(fù)極反應(yīng)：PbSO₄＋2e→Pb＋SO2— 4；

② 正極反應(yīng)：PbSO₄－2e＋2H₂O→PbO₂＋4H^＋＋SO2— 4；

③ 電池反應(yīng)：2PbSO₄＋2H₂O→Pb＋4H^＋＋2SO2— 4＋PbO₂或PbSO₄＋2H₂O＋PbSO₄→Pb＋2H₂SO₄＋PbO₂。

      從電極反應(yīng)和電池反應(yīng)可以看出，鉛蓄電池的充電反應(yīng)恰好是其放電反應(yīng)的逆反應(yīng)，即充電后極板上的活性物質(zhì)和電解液的密度都恢復(fù)到原來的狀態(tài)。所以，在充電過程中，電解液的密度會逐漸升高。對富液式鉛蓄電池來說，可以通過電解液密度的大小來判斷電池的荷電程度，也可以用其密度值作為充電終了的標(biāo)志，例如啟動用鉛蓄電池充電終了的密度d15＝1.28～1.30kg/L，固定用防酸隔爆式鉛蓄電池充電終了的密度d15＝1.20~1.22kg/L。

（2）充電后期分解水的反應(yīng)

      鉛蓄電池在充電過程中還伴隨有電解水反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

① 負(fù)極：2H^＋＋2e ══H₂↑

② 正極：H₂O－2e══2H^＋＋1/20₂↑

③ 總反應(yīng)： H₂O══H₂↑＋1/20₂↑

      這種反應(yīng)在鉛蓄電池充電初期是很微弱的，但當(dāng)單體電池的端電壓達(dá)到2.3V/只時，水的電解開始逐漸成為主要反應(yīng)。這是因為端電壓達(dá)2.3V/只時，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)已大部分恢復(fù)，硫酸鉛的量逐漸減少，使充電電流用于活性物質(zhì)恢復(fù)的部分越來越少，而用于電解水的部分越來越多。對于富液式鉛蓄電池來說，此時可觀察到有大量氣泡逸出，并且冒氣越來越激烈，因此可用充電末期電池冒氣的程度作為充電終了的標(biāo)志之一。但對于閥控式密封鉛蓄電池來說，因其是密封結(jié)構(gòu)，充電后期為恒壓充電（恒定電壓在2.3V/只左右），充電電流很小，而且正極析出的氧氣能在負(fù)極被吸收，所以不能觀察到冒氣現(xiàn)象。

 

圖9 發(fā)電機(jī)組放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)示意圖

圖10 發(fā)電機(jī)組充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)示意圖

 

總結(jié)：

      以上所述內(nèi)容就是柴油發(fā)電機(jī)所用的啟動電池結(jié)構(gòu)和工作原理。需要注意的是環(huán)境溫度過高會使電池過充電產(chǎn)生氣體，環(huán)境溫度過低會使電池充電不足，一般要求發(fā)電機(jī)房環(huán)境溫度在不能大于40℃，不能小于0℃；此外，新的蓄電池可能存在電量并非100%。因此更換新的蓄電池后，在安裝后投入使用前，根據(jù)電池的開路電壓判斷電池的剩余容量，采用不同的方法對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。

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