无温度补偿浮充工况铅酸蓄电池析气特性

刘伯运 易祥烈任广鲁

海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033

    设计实验装置对潜艇蓄电池在无温度补偿的浮充工况下的析氢和析氧过程随时间温度变化规律进行理论分析和实验研究对析氢速率析氧速率随温度变化的规律进行指数拟合分析研究发现无温度补偿冷却或加热条件下旧潜艇铅酸蓄电池在浮充工况时蓄电池电解液温度都将迅速上升并在一定时间后趋于稳定值新蓄电池温度上升比旧蓄电池快旧蓄电池的析气速率包括析氢和析氧与温度的关系满足阿伦尼乌斯反应速率公式新蓄电池析气速率与温度的关系无法满足阿伦尼乌斯反应速率公式

关键词潜艇铅酸蓄电池析气特性无温度补偿

中图分类号X913.4 TM912  文献标志码A 

文章编号1009-0029201701-0023-04

潜艇事故中火灾与爆炸是导致潜艇沉没的首要原因约占所有潜艇事故的50而潜艇蓄电池产氢引发的氢气燃爆是这些事故的主要源头之一

JBLakeman通过实验考查了新的和使用时间接近寿命周期的潜艇铅酸电池在开路和浮充条件下的气体析出速率和放电性能发现析出的气体只是氢气和氧气蓄电池浮充工况下析气速率随温度呈对数变化等研究了蓄电池产氢原理并通过实验得到了整个充放电过程中氢气释放量的变化规律通过潜艇实测数据发现由于潜艇的通风换气方式的特殊性蓄电池在充放电过程由于自身的温度及环境温度一直处于动态变化过程析氢速率随时间变化曲线出现较大波动温度敏感性较大实际上影响潜艇铅酸蓄电池析气过程的因素有很多包括蓄电池电极活性物质的量与蓄电池使用时充放电周期数有关)、电解液各种离子浓度蓄电池工况蓄电池所蓄电量蓄电池温度环境压强与湿度蓄电池姿态潜艇出现纵横倾角度时

通过理论分析和实验手段对潜艇蓄电池在浮充工况下的析氢和析氧特性开展研究重点对蓄电池析气速率随时间温度变化规律进行分析并对比研究了新旧蓄电池析气特性区别探讨析气速率与蓄电池使用周期的关系

1 蓄电池析气特征实验设置

实验分别对两组潜艇用铅酸蓄电池进行了测试其中一组是由8个刚出厂的新蓄电池组成该组蓄电池均已灌注好硫酸且已循环至额定电容量其额定性能和充电流程可参见文献13]。另一组是由从一些船厂在修理潜艇时报废的蓄电池中随机抽取的8个旧蓄电池组成

蓄电池充放电过程的析气实验设置如图1所示实验系统由实验舱气路电路ADDA转换器及工控计算机组成实验舱尺寸1500mm×1500mm×1500mm侧面可打开以便安装实验设备前面有直径为300mm 的防爆玻璃观察口实验舱完全密闭时其在1.5 MPa 气压下保持2气压下降幅度小于0.05 kPa满足实验所需的气密性

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       由于实验舱的密闭性气路输入的空气与蓄电池产生的氢气和氧气混合后流出实验舱的出口较小导致实验舱的内部压力会比环境压力大而且蓄电池工作温度不断变化气体流出实验舱时的温度压力会有所变化因此实验测定的物理量不仅有进口空气流量出口的流量和氢气体积分数氢气浓度传感器),还包括进口的压力和温度环境温度),在进行数据处理时所有的流量都转化为标准状态STP大气压为0.1 MPa温度为298.15 K下的流量即假设混合气体为理想气体通过理想气体状态方程折算出其在STP条件下的流量如式1所示

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式中QNB为标准状态下流量P为压强Q为流量T温度V为氢气产生速率V为氧气产生速率QNBair

标准状态下进口流量QNBmix为标准状态下出口流量C为氢气体积浓度

2 实验结果与分析

23为无温度补偿条件下旧蓄电池在浮充工况时蓄电池电解液温度以及析氢析氧速率随时间变化的规律

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可以看出在无温度补偿时旧蓄电池在07时温度急剧上升随后升温速率开始减缓并逐渐趋近于最大值旧蓄电池析氢析氧速率和温度变化规律相似也是在17时急剧增大而后趋于稳定与温度变化呈现出一一对应的趋势可以认为在浮充工况时的旧蓄电池其析氢析氧速率和电解液的温度相关性非常大另外旧蓄电池的析氢速率比析氧速率大得多

旧蓄电池在浮充工况下析氢析氧速率温度曲线如图4所示可以看出蓄电池在浮充工况时的析气速率与温度接近为指数关系根据阿伦尼乌斯Arrhenius化学反应速率公式化学反应速率与反应物浓度成递增关系与绝对温度的负倒数成指数关系可将析氢析氧速率与温度进行指数拟合拟合公式为ya·expbT),T为绝对温度),拟合结果如图5所示

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在图5析氢速率拟合曲线为y2.628××  exp11710x),拟合置信度为95.53而析氧速率拟合曲线为y1.045 ×× exp10090x),拟合置信度为98.86仅在温度为44.5时析氢析氧速率值与对应的拟合曲线偏差较大且析氢速率拟合曲线明显比析氧速率拟合曲线拟合准确度高根据阿伦尼乌斯公式可得ER即为拟合系数因而ER·b可得到旧蓄电池在浮充工况下析氢析氧反应活化能分别为9736283893Jmol

67为无温度补偿条件下新蓄电池在浮充工况时蓄电池电解液温度以及析氢

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