新聞主題	柴油發電機蓄電池的作用

 

摘要：每臺柴油發電機必須配有啟動電瓶，由于它主要作用是用于啟動柴油發電機組的動力能源，提供電流一般為200～600A，所以稱為啟動蓄電池。其原理是進入開機狀態后，蓄電池里的電能就會和柴油機的電動起動機導通，起動機旋轉，帶動柴油機，使柴油機啟動并正常運轉。柴油機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的啟動；多缸柴油機通常采用24V蓄電池，通常用兩只12V蓄電池串聯起來使用。

 

一、啟動蓄電池結構

 

      普通鉛蓄電池具有價格低廉、供電可靠和電壓穩定等優點，因此，廣泛應用于柴油發電機組的啟動系統。但是普通鉛蓄電池在使用過程中，需要經常添加電解液，而且還會產生腐蝕性氣體，污染環境，損傷設備。閥控式鉛蓄電池具有密封性好、無泄漏和無污染等特點，能夠保證各種電氣設備的安全，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，極板有正極板和負極板之分，由活性物質和板柵兩部分構成的。正、負極的活性物質分別是棕褐色的二氧化鉛（PbO₂）和灰色的海綿狀鉛（Pb）。極板依其結構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，一是發生電化學反應，實現化學能與電能之間的相互轉換；二是傳導電流。

（2）板柵的作用：

     板柵在極板中的作用，一是作活性物質的載體，因為活性物質呈粉末狀，必須有板柵作載體才能成形；二是實現極板傳導電流的作用，即依靠其柵格將電極上產生的電流傳送到外電路，或將外加電源傳入的電流傳遞給極板上的活性物質。為了有效地保持住活性物質，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，以減少電池內水分的損失。

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

 

圖1  發電機組蓄電池涂膏式與管式極板的板柵

圖2  發電機組蓄電池正負極板交錯排列

 

2、電解液

（1）電解液在電池中的作用

① 與電極活性物質表面形成界面雙電層，建立起相應的電極電位；

② 參與電極上的電化學反應；

③ 起離子導電的作用。

      鉛蓄電池的電解液是用純度在化學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，不僅與電池的結構和用途有關，而且與硫酸溶液的凝固點、電阻率等性質有關。

（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。

      硫酸溶液的凝固點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，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寒氣候下使用也不凝固。但是，當蓄電池放完電后，其電解液密度（15℃）可低于1.15kg/L，所以放完電的電池應避免在-10℃以下的低溫中放置，并應立即對電池充電，以免電解液凍結。

② 硫酸溶液的電阻率。

      作為鉛蓄電池的電解液，應具有良好的導電性能，使蓄電池的內阻較小。硫酸溶液的導電特性，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，當硫酸溶液的密度（15℃）在1.15～1.30kg/L之間時，電阻較小，其導電性能良好，所以，鉛蓄電池都采用此密度范圍內的電解液。當其密度（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  發電機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，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微孔內擴散，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：表中各列數據分別為不同濃度（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過程中已經加入電池當中，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，必須使用規定純度的濃硫酸和純水來配制。因為使用含有雜質的電解液，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。

      化學試劑的純度按其所含雜質量的多少，分為工業純、化學純、分析純和光譜純等。工業純的硫酸雜質含量較高，從外觀看呈現一定的顏色，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，至少應達到化學純。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（充足電后應達到的密度）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）置于正負極板之間。用作隔板（膜）的材料必須滿足以下要求。

① 化學性能穩定

      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濃度的硫酸溶液中，與正極相接觸的一側，還要受到正極活性物質以及充電時產生的氧氣的氧化。

② 具有一定的機械強度

      極板活性物質因電化學反應會在鉛和二氧化鉛與硫酸鉛之間發生變化，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，若維護不好，極板會發生變形。由于隔板（膜）處于正負極板之間，而且與極板緊密接觸，所以必須有一定的機械強度才不會因為破損而導致電池短路。

③ 不含有對極板和電解液有害的雜質

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

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），并到達正負極與極板上的活性物質起電化學反應。隔板（膜）的微孔大小應能阻止脫落的活性物質通過，以免引起電池短路。

⑤ 電阻小

      隔板（膜）的電阻是構成電池內阻的一部分，為了減小電池的內阻，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點，但其機械強度低且耐酸性差，現已被淘汰；20世紀70年代至90年代初期，主要采用微孔橡膠隔板；之后相繼出現了PP（聚丙烯）隔板、PE（聚乙烯）隔板和超細玻璃纖維隔膜及其他的復合隔膜。

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60年代以后，塑料工業發展迅速，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。

      電池槽的結構也根據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構有只裝一只電池的單一槽和裝多只電池的復合槽兩種，前者用于單體電池（如固定用防酸隔爆式鉛蓄電池），后者用于串聯電池組（如啟動用鉛蓄電池）。電池蓋上有正負極柱、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（表面上釉）的絕緣墊腳。為使電池平穩，還需加軟橡膠墊圈。這些絕緣物應經常清洗，保持清潔，不讓酸液及灰塵附著，以免引起蓄電池漏電。

圖5 鉛蓄電池的構造（外部連接方式）

圖6 發電機組鉛蓄電池結構（穿壁內連接方式）

 

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電機組中扮演著至關重要的角色，主要負責提供啟動柴油機時所需的強大電流，幫助起動機順利運作，從而啟動柴油機，如圖7所示。

（2）除了在柴油機啟動時向啟動馬達提供必要的電力外（如圖8所示），啟動蓄電池還能替代充電發電機向用電設備供電，保證柴油發電機組電氣系統的正常運行。

（3）啟動蓄電池還能吸收機內電路中產生的瞬間高壓，保護用電設備免受損害，并且，在發電機端電壓高于蓄電池電壓時，啟動蓄電池能將一部分電能轉化為化學能儲存起來，為柴油發電機組提供持續的能量來源。

 

圖7  柴油發電機啟動系統示意圖

圖8  啟動馬達工作過程示意圖

 

2、放電過程

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

      當鉛蓄電池接上負載時，外電路便有電流通過。圖9表明了放電過程中兩極發生的電化學反應。有關的電化學反應為：

① 負極反應 ：Pb－2e＋SO2 4→PbSO₄；

② 正極反應：PbO₂＋2e＋4H^＋＋SO2 4→PbSO₄＋2H₂O；

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

      從上述電池反應可以看出，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志之一。通常，當電解液密度下降到1.15～1.17kg/L左右時，應停止放電，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

      當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生的電化學反應。有關的電極反應為：

① 負極反應：PbSO₄＋2e→Pb＋SO2— 4；

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

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

      從電極反應和電池反應可以看出，鉛蓄電池的充電反應恰好是其放電反應的逆反應，即充電后極板上的活性物質和電解液的密度都恢復到原來的狀態。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

      鉛蓄電池在充電過程中還伴隨有電解水反應，其化學反應式如下：

① 負極：2H^＋＋2e ══H₂↑

② 正極：H₂O－2e══2H^＋＋1/20₂↑

③ 總反應： H₂O══H₂↑＋1/20₂↑

      這種反應在鉛蓄電池充電初期是很微弱的，但當單體電池的端電壓達到2.3V/只時，水的電解開始逐漸成為主要反應。這是因為端電壓達2.3V/只時，正負極板上的活性物質已大部分恢復，硫酸鉛的量逐漸減少，使充電電流用于活性物質恢復的部分越來越少，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志之一。但對于閥控式密封鉛蓄電池來說，因其是密封結構，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極被吸收，所以不能觀察到冒氣現象。

 

圖9 發電機組放電過程中的電化學反應示意圖

圖10 發電機組充電過程中的電化學反應示意圖

 

總結：

      以上所述內容就是柴油發電機所用的啟動電池結構和工作原理。需要注意的是環境溫度過高會使電池過充電產生氣體，環境溫度過低會使電池充電不足，一般要求發電機房環境溫度在不能大于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行補充充電。

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