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(以下簡稱為閥控蓄電池)，具有體積小、使用安全性高、放電性能好、維護量小等特點，使其在很多應用領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，最長可以達到20年以上，但是由于其結構特點，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境的變化、使用條件等因素的影響。MICHAEL R．MOORE通過對超過7萬5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實際使用壽命為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，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行更好地維護，延長其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來的安全風險。

l 閥控蓄電池發展
MF、SLA、VRLA都是國內外對閥控蓄電池陸續使用過的稱謂。MF(Maintenance―Free)是免維護蓄電池的簡稱；SLA(Sealed Lead―AcidBattery)是密封鉛酸蓄電池的簡稱；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，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。從MF、SLA到VRLA，不僅是名稱的改變，也說明了閥控蓄電池的發展歷程。
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，由于先進的冶金、化工新技術引入電池行業中使MF電池更加完善，出現了SLA一密封鉛酸蓄電池的稱謂。SLA除了采用電池內部氣體復合技術外，還對電池結構進行了改進，采用單向氣閥，使電池達到密封。隨著排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準確的開、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、行業標準和企業標準。IEEE(電氣和電子工程師協會)1996年發布了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年對該標準進行了修訂后重新發布。修訂改動內容不多，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年發布了電力行業標準，DL／T724―2000電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程。國家電網公司2004年底發布了企業內部的《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
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，在電池內部通過實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，即采用超細玻璃纖維隔板(AGM)來吸附電解液的吸液式電池和采用硅凝膠電解質(GEL)的膠體電池。這兩類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，正極會析出氧氣，負極會析出氫氣，正極析氧是在正極充電量達到70％時就開始了，負極析氫則要在充電到90%時方開始，析出的氧到達負極，跟負極起下述反應：2Pb+O2=2PbO；2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。通過這兩個反應，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
與防酸隔爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點：
(1)固定的電解液，增進氧氣從正極向負極的擴散。
(2)內部密封結構和自動開關的安全閥。蓄電池在內部壓力下工作，以促進氧氣的再化合。蓄電池內部壓力增加到一定程度時，安全閥自動打開排氣；而當氣壓將低到規定限度以下時，安全閥自動關閉。
(3)改進的板柵材料。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機制使得其電解液損失小，在使用期間無需加水、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)對環境污染小。運行期間酸霧和可燃氣體逸出少。
(8)對使用環境要求較高，受環境溫度影響大。