蓄电池的结构与工作原理

蓄电池是一种独立的直流电源，它在火电厂内发生任何事故，甚至在交流电源全部停电的情况下，都能保证直流系统的用电设备可靠而连续地工作。另外它还是全厂事故照明的可靠电源。火电厂的蓄电池组是由许多蓄电池串联而成，串联的数目取决于直流系统的工作电压。

（一）阀控式密封铅酸蓄电池的结构

目前，在火电厂的直流电源系统中普遍采用阀控式密封铅酸蓄电池，该蓄电池的基本结构如图9-2所示。它由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO₂），负极板上的活性物质为海绵状纯铅（Pb），电解液为稀硫酸溶液。蓄电池槽中装入一定的电解液后，由于电化学反应，正、负极板间会产生约为2.23V（单体阀控式密封铅酸电池）的浮冲电压。

阀控式密封铅酸蓄电池克服了铅酸蓄电池需要补加水维护的缺点，其结构特点为：

1）极板之间不再采用普通隔板，而是用超细玻璃纤维作为隔膜，电解液全部吸附在隔膜和极板中，蓄电池内部不再有游离的电解液；由于采用多元优质板栅合金，提高了气体释放的过电位，从而相对减少了气体释放量。

2）让负极有多余的容量，即比正极多10％的容量。充电后期正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，即O₂＋2Pb→2PbO＋2H₂SO₄→H₂O＋2PbSO₄，使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成水的过程，即所谓阴阴极吸收。

3）采用新型超细玻璃纤维隔板。使氧气易于流通到负极，再化合成水。另外，超细玻璃纤维隔板具有吸附硫酸电解液的功能，因此即使阀控式密封铅酸蓄电池倾倒，也无电解液溢出。

4）采用密封式阀控滤酸结构，电解液不会泄漏，使酸雾不能逸出，达到安全、保护环境的目的。阀控式密封铅酸蓄电池可以卧式安装，使用方便。

5）壳体上装有安全排气阀，当阀控式密封铅酸蓄电池内部压力超过阈值时自动开启，保证安全工作。

由于阀控式密封铅酸蓄电池具有上述特点，因此可免除补加水维护，这也是称其为“免维护”蓄电池的由来。但是，“免维护”的含义并不是任何维护都不做，为了提高阀控式密封铅酸蓄电池的使用寿命，除了免除补充水外，其他方面的维护和普通铅酸蓄电池是相同的，只有掌握其正确维护方法，才能使阀控式密封铅酸蓄电池长期、安全、稳定的运行。

图9-2 阀控式密封铅酸蓄电池结构图

（二）阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理

阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理与传统的铅酸蓄电池基本相同，它的正极活性物质是二氧化铅（PbO₂），负极活性物质是海绵状金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H₂ SO₄），其电极反应方程式如下：

正极（PbO₂）：PbO₂＋2e^－＋SO²₄－＋4H＋＝＝＝PbSO₄↓＋2H₂O

负极（Pb）：Pb－2e^－＋SO²₄－＝＝＝PbSO₄↓

总反应式：Pb＋PbO₂＋4H＋＋2SO₄^2－＝＝＝2PbSO₄↓＋2H₂O

阀控式密封铅酸蓄电池的设计原理是把所需分量的电解液注入极板和隔板中，没有游离的电解液，通过令负极板潮湿来提高吸收氧的能力，为防止电解液减少把蓄电池密封，故阀控式密封铅酸蓄电池又称“贫液蓄电池”。

如图9-3所示为阀控式密封铅酸蓄电池工作原理示意图，正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板采用超细玻璃纤维隔板，并使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个蓄电池化学反应密封在塑料蓄电池壳内，出气孔上加上单向的安全阀。正极电解水反应式如下：

2H₂O→O₂＋4H＋＋4e^－

氧气通过隔板通道或顶部到达负极进行化学反应。

Pb＋1／2O₂＋2H₂SO₄→PbSO₄＋H₂O

负极被氧化成硫酸铅，经过充电又转变成海绵状铅。(www.xing528.com)

PbSO₄＋2e^－＋H＋→Pb＋HSO4－

这是阀控式密封铅酸蓄电池特有的内部氧循环反应机理。这种充电过程中电解液中的水几乎不损失，使阀控式密封铅酸蓄电池在使用过程中达到不需加水。

图9-3 阀控式密封铅酸蓄电池工作原理

（1）放电过程。阀控式密封铅酸蓄电池将化学能转变为电能输出。对负极而言是失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言则是得到电子被还原，同样是形成硫酸铅。反应的净结果是外电路中出现了定向移动的负电荷。由于放电后两极活性物质均转化为硫酸铅，所以称为“双极硫酸盐化”。

（2）充电过程。阀控式密封铅酸蓄电池将外电路提供的电能转化为化学能储存起来。此时，负极上的硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度，导致硫酸铅转变为金属铅；同样，正极上的硫酸铅被氧化为PbO₂的速度也增大。

阀控式密封铅酸蓄电池在充放电过程中，蓄电池的电压会有很大的变化，这是因为正负极的电极电动势离开了其平衡状态的电极电动势，发生了极化。蓄电池的极化是由浓差极化、电化学极化和欧姆极化三种因素造成的，由于这三种极化的存在，才出现了蓄电池使用过程中各种充放电电流和充放电电压的严格设置，以免使用不当，对蓄电池的性能造成较大的影响。

（三）蓄电池组运行方式

蓄电池的运行方式有两种；浮充电方式（浮充）和均衡充电方式（均充）。

浮充电方式：以最小的充电电流和比较低的推荐电压对电池进行长时间的连续不断地充电，以使电池始终保持满容量的充电方式。一般电压较低，常用来平衡电池自放电导致的原容量损失。

均衡充电方式：在规定的时间内，以所能容许的最大电压对电池充电以恢复电池的能量，可使串联的各个电池单元容量最大且电压一致，用于均衡单体电池容量的充电方式，一般充电电压较高，常用作恢复电池容量。

惠州电厂蓄电池组一般正常情况下在浮充状态。在蓄电池电量不足等其他情况下，转为均充状态。均充结束后，蓄电池容量恢复，蓄电池组恢复浮充状态。浮充和均充的转换由充电器的监控模块自动完成。

惠州LNG电厂蓄电池浮、均充的转换方式有两种：手动转换和自动转换。手动转换由运行人员在直流系统的监控装置上手动设置，自动转换则根据监控系统内设定的条件自动进行。

以下是惠州LNG电厂蓄电池浮、均充的自动转换条件：

当满足下面其中一个条件时，系统将自动由浮充转为均充运行方式：

1）该充电器的交流侧电源失电超过10min；

2）在浮充运行方式时，蓄电池的充电电流大于8％蓄电池容量；

3）浮充运行时间超过4320h（约6个月）。

当满足下面其中一个条件时，系统将自动由均充转为浮充运行方式：

1）当蓄电池充电电流小于1％蓄电池容量时，延时3h；

2）均充时间大于24h。