Никель-металлогидридные аккумуляторы (стр. 5 из 7). Аккумулятор металлогидридный


Никель-металлогидридные аккумуляторы

Никель-металлогидридные аккумуляторы являются одними из самых долгоживущих - в гибридных автомобилях Toyota Prius NiMH аккумуляторная батарея живет более 10 лет без замены.NiMH AA аккумулятор

В данном разделе книги вы познакомитесь с историей никель-металлогидридных аккумуляторов, их преимуществами и недостатками, внутренним устроством как самих аккумуляторов так и NiMH аккумуляторных батарей. Также вы сможете почитать несколько слов о правилах эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов.

NiMH аккумуляторы и зарядноеИсследования в области никель-металлогидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке ("дружественность" природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Для создателей электромобилей есть один большой облом: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина проста - корпорация Texaco выкупила долю патентодержателя на никель-металлогидридные батареи (фирмы Ovonics) у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года (и кто же после этого скажет, что нет заговора нефтяных корпораций против электромобилестроения).

Вы можете сказать, что в Toyota Prius используется тяговый никель-металлогидридный аккумулятор. Это так, только Тойоте приходится идти на жертвы в виде высоковольтной аккумуляторной батареи с сотнями элементов для того, чтобы из малоемких аккумуляторов можно было собрать батарею с приемлемой токовой нагрузкой. Наградой за такие ухищрения стала аккумуляторная батарея емкостью 1,3КВт*ч - этого хватает только на 10км пробега.

До введения запрета на NiMH аккумуляторы достаточно большим успехом пользовался электромобиль Toyota RAV4 EV. Хотя из-за окончания производства больших аккумуляторов RAV4 EV перестали производить более 6 лет назад, до сих пор многие из этих электромобилей ездят на родных аккумуляторах.

Современные никель-металлогидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлогидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлогидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлогидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлогидридного аккумулятора необходимо произвести несколько циклов "тренировочных" циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлогидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, "выкипанию" электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлогидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлогидридной батареей большой емкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлогидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлогидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлогидридного аккумулятора будет максимальной.

Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлогидридных аккумуляторов.

www.dig.by

Никель-металлогидридные аккумуляторы - часть 5

- метод прекращения заряда по абсолютной температуре Тmax. Температура батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а при достижении максимального значения быстрый заряд прерывается;

- метод прекращения заряда по скорости изменения температуры ΔT/Δt. При применении этого метода крутизна температурной кривой аккумуляторной батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а когда этот параметр становится выше определенно установленного значения, заряд прерывается;

- метод прекращения заряда по отрицательной дельте напряжения -ΔU. В конце заряда аккумулятора при осуществлении кислородного цикла начинает повышаться его температура, приводя к уменьшению напряжения;

- метод прекращения заряда по максимальному времени заряда t;

- метод прекращения заряда по максимальному давлению Pmax. Используется обычно в призматических аккумуляторах больших размеров и емкости. Уровень допустимого давления в призматическом аккумуляторе зависит от его конструкции и лежит в интервале 0,05-0,8 МПа;

- метод прекращения заряда по максимальному напряжению Umax. Применяется для отключения заряда аккумуляторов с высоким внутренним сопротивлением, которое появляется в конце срока службы из-за недостатка электролита или при пониженной температуре.

При применении метода Тmax аккумуляторная батарея может быть слишком перезаряжена, если температура окружающей среды понижается, либо батарея может получить недостаточно заряда, если температура окружающей среды значительно повышается. Метод ΔT/Δt может применяться очень эффективно для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды. Но если при более высоких температурах применять только этот метод, то аккумуляторы внутри аккумуляторных батарей будут подвергаться нагреванию до нежелательно высоких температур до того, как может быть достигнуто значение ΔT/Δt для отключения. Для определенного значения ΔT/Δt может быть получена большая входная емкость при более низкой температуре окружающей среды, чем при более высокой температуре. В начале заряда аккумуляторной батареи (как и в конце заряда) происходит быстрое повышение температуры, что может привести к преждевременному отключению заряда при применении метода ΔT/Δt. Для исключения этого разработчики зарядных устройств используют таймеры начальной задержки срабатывания датчика при методе ΔT/Δt.

Метод -ΔU является эффективным для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды, а не при повышенных температурах. В этом смысле метод похож на метод ΔT/Δt. Для обеспечения прекращения заряда в тех случаях, когда непредвиденные обстоятельства препятствуют нормальному прерыванию заряда, рекомендуется также использовать контроль по таймеру, регулирующему длительность операции заряда (метод t).

Таким образом, для быстрого заряда аккумуляторных батарей нормированными токами 0,5-1С при температурах 0-50°С целесообразно применять одновременно методы Тmax (с температурой отключения 50-60°С в зависимости от конструкции аккумуляторов и батарей), -ΔU (5-15мВ на аккумулятор), t (обычно для получения 120 % номинальной емкости) и Umax (1,6-1,8 В на аккумулятор). Вместо метода -ΔU может использоваться метод ΔT/Δt (1-2 °С/мин) с таймером начальной задержки (5-10 мин).

После проведения быстрого заряда аккумуляторной батареи, в зарядных устройствах предусматривают переключение их на подзаряд нормированным током 0,1С - 0,2С в течение определенного времени.

Для Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется заряд при постоянном напряжении, так как может произойти "тепловой выход из строя" аккумуляторов. Это связано с тем, что в конце заряда происходит повышение тока, который пропорционален разности между напряжением электропитания и напряжением аккумулятора, а напряжение аккумулятора в конце заряда понижается из-за повышения температуры.

При низких температурах скорость заряда должна быть уменьшена. В противном случае кислород не успеет рекомбинировать, что приведет к росту давления в аккумуляторе. Для эксплуатации в таких условиях рекомендуются Ni-MH аккумуляторы с высокопористыми электродами.

9. Достоинства и недостатки Ni-MH аккумуляторов

Значительное увеличение удельных энергетических параметров не единственное достоинство Ni-MH аккумуляторов перед Ni-Cd аккумуляторами. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически чистым производствам. Легче решается и проблема утилизации вышедших из строя аккумуляторов. Эти достоинства Ni-MH аккумуляторов определили более быстрый рост объемов их производства у всех ведущих мировых аккумуляторных компаний по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами.

У Ni-MH аккумуляторов нет "эффекта памяти", свойственного Ni-Cd аккумуляторам из-за образования никелата в отрицательном кадмиевом электроде. Однако эффекты, связанные с перезарядом оксидно-никелевого электрода, сохраняются.

Уменьшение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих перезарядах так же, как и у Ni-Cd аккумуляторов, может быть устранено при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1 В. Такие разряды достаточно проводить 1 раз в месяц.

Однако никель-металлогидридные аккумуляторы уступают никель-кадмиевым, которые они призваны заменить, по некоторым эксплуатационным характеристикам:

- Ni-MH аккумуляторы эффективно работают в более узком интервале рабочих токов, что связано с ограниченной десорбцией водорода металлогидридного электрода при очень высоких скоростях разряда;

- Ni-MH аккумуляторы имеют более узкий температурный диапазон эксплуатации: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10°С и выше +40°С, хотя в отдельных сериях аккумуляторов корректировка рецептур обеспечила расширение температурных границ;

- в течение заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется больше теплоты, чем при заряде Ni-Cd аккумуляторов, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термо-предохранители или термо-реле, которые располагают на стенке одного из аккумуляторов в центральной части батареи;

- Ni-MH аккумуляторы имеют повышенный саморазряд (рисунок 10), что определяется неизбежностью реакции водорода, растворенного в электролите, с положительным оксидно-никелевым электродом (но, благодаря использованию специальных сплавов отрицательного электрода, получилось достигнуть снижения скорости саморазряда до величин, близких к показателям для Ni-Cd аккумуляторов;

- опасность перегрева при заряде одного из Ni-MH аккумуляторов батареи, а также переполюсования аккумулятора с меньшей емкостью при разряде батареи, возрастает с рассогласованием параметров аккумуляторов в результате продолжительного циклирования, поэтому создание батарей более чем из 10 аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями;

- потери емкости отрицательного электрода, которые имеют место в Ni-MH аккумуляторе при разряде ниже 0В, необратимы, что выдвигает более жесткие требования к подбору аккумуляторов в батарее и контролю процесса разряда, чем в случае использования Ni-Cd аккумуляторов, как правило рекомендуется разряд до 1 В/ак в батареях незначительного напряжения и до 1,1 В/ак в батарее из 7-10 аккумуляторов.

Как уже отмечалось ранее, деградация Ni-MH аккумуляторов определяется, прежде всего, понижением при циклировании сорбирующей способности отрицательного электрода. В цикле заряда-разряда происходит изменение объема кристаллической решетки сплава, что приводит к образованию трещин и последующей коррозии при реакции с электролитом. Образование продуктов коррозии происходит с поглощением кислорода и водорода, в результате чего уменьшается общее количество электролита и повышается внутреннее сопротивление аккумулятора.

Следует заметить, что характеристики Ni-MH аккумуляторов существенно зависят от сплава отрицательного электрода и технологии обработки сплава для повышения стабильности его состава и структуры. Это вынуждает изготовителей аккумуляторов внимательно относиться к выбору поставщиков сплава, а потребителей аккумуляторов - к выбору компании-изготовителя.

10. Стандарты и обозначения НМ-аккумуляторов

В соответствии со стандартами Международной электрохимической комиссии IEC 61436 и IEC 61951-2 цилиндрические НМ-аккумуляторы обозначаются буквами HR, призматические – буквами HF и дисковые – буквами НВ. После букв для цилиндрических НМ-аккумуляторов указываются через дробную черту диаметр и высота аккумулятора в миллиметрах (округленная до целого числа в бóльшую сторону), а для призматических – ширина, толщина и высота. Например, HR15/51, HF15/09/49. Для дисковых аккумуляторов указываются через дробную черту диаметр и высота, но не в миллиметрах, а с использованием размерности в 1/10 миллиметра. Например, дисковый аккумулятор диаметром 15,6 мм и высотой 6,4 мм обозначается как НВ 156/064.

Отметим наиболее важные требования к НМ-аккумуляторам по этим стандартам:

- режим заряда нормированным током 0,1С в течение 16 ч при температуре (20±5) °С;

- продолжительность разряда при температуре (20±5)°С нормированным током 0,2С до напряжения 0,9 В не менее 42 минут для цилиндрических и призматических НМ-аккумуляторов и не менее 35 мин для дисковых;

- срок службы должен быть не менее 500 циклов;

Данные стандарты не устанавливают требований к НМ-аккумуляторам при повышенных температурах и при температурах ниже 0°С.

11. Хранение и эксплуатация Ni-MH аккумуляторов

Перед тем, как приступить к эксплуатации новых Ni-MH аккумуляторов стоит помнить, что их необходимо предварительно «раскачать» для максимальной емкости. Для этого желательно иметь зарядное устройство, способное разряжать аккумуляторы: установите зарядку на минимальный ток и зарядите аккумулятор, а затем тут же разрядите его, нажав соответствующую кнопку на зарядном устройстве. Если такого устройства под рукой нет, можно просто «нагрузить» батарейку на полную мощность и подождать.

mirznanii.com

Металлогидридный аккумулятор для хранения водорода

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках. Металлогидридный аккумулятор для хранения водорода включает корпус и батарею топливных элементов. Батарея выполнена в виде двух катушек, выполненных с возможностью наматывания на них широкой ленты из сплава металла и перематывания ее с одной катушки на другую. На одной из катушек сплав металла соединен с водородом с образованием металлогидрида Al(Bh5)3 или Bi(Bh5)2 с высоким содержанием водорода. Лента проходит между катушками около термовыделяющего электрического элемента, расположенного вне корпуса, с обеспечением выделения из нее водорода. Корпус имеет застекленное окно. Катушки разделены термоизолирующей перегородкой. Использование изобретения позволит обеспечить быструю отдачу необходимой порции водорода за короткое время. 1 ил.

 

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках.

Известно устройство «СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ВЫДАЧИ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛОГИДРИДНЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ ВОДОРОДА». Патент RU №87775 U1, МНК F17C 11/00 (2006.01), МПК Н01М 8/04 (2006.01). Заявка: 2009119571/22, 26.05.2009.

Система хранения и выдачи водорода, содержащая металлогидридные аккумуляторы водорода, батарею топливных элементов, магистрали приема и выдачи водорода, магистрали контура циркуляции теплоносителя, регулирующие клапаны, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя с теплообменным аппаратом и компенсационная емкость, при этом промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя соединен с нижней частью компенсационной емкости, а верхняя часть емкости соединена с магистралью выдачи водорода (прототип).

Недостатками являются малый объем металлогидридных аккумуляторов водорода и батареи топливных элементов, низкая скорость отдачи водорода, сложность точного выделения за определенное время нужного объема водорода.

Известен «АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА». Патент RU №2376522 С1, МПК F17C 11/00 (2006.01). Заявка: 2008134327/06, 22.08.2008. Реферат:

В аккумуляторе водорода, содержащем полые микросферы и сплав, образующий с водородом гидрид металла, внутренняя полость микросферы выполнена свободной. Сплав металла нанесен на наружную поверхность микросферы. Стенка микросферы выполнена проницаемой для водорода при комнатной температуре. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременно высокого весового и высокого объемного содержания водорода, обладающего высокоскоростными регулирующими свойствами при заполнении аккумулятора и при его разрядке (подаче к потребителю), и безопасного хранения и транспортировки водорода (аналог).

Недостатком является сложность извлечения нужного объема водорода за определенное время.

Целью изобретения является создание устройства с быстрой отдачей необходимой порции водорода за короткое время.

Технический результат в устройстве «металлогидридный аккумулятор для хранения водорода», состоящем из корпуса, батареи топливных элементов, достигается тем, что батарея выполнена в виде двух катушек, выполненных с возможностью наматывания на них широкой ленты из сплава металла и перематывания ее с одной катушки на другую, при этом на одной из катушек сплав металла соединен с водородом с образованием металлогидрида Al(Вh5)3 или Bi(Bh5)2 с высоким содержанием водорода, причем лента проходит между катушками около термовыделяющего электрического элемента, расположенного вне корпуса, с обеспечением выделения из нее водорода, корпус имеет застекленное окно, а катушки разделены термоизолирующей перегородкой.

На фиг.1 изображен металлогидридный аккумулятор для хранения водорода.

Статика. Перечень позиций.

1 - корпус

2 - батарея топливных элементов

3 - катушки

4 - одна катушка

5 - широкая лента

6 - сплав металла

7 - вторая катушка

8 - термовыделяющий электрический элемент

9 - застекленное окно

10 - термоизолирующая перегородка

11 - кассета

12 - отверстие

Металлогидридный аккумулятор для хранения водорода, имеющий корпус (1), батарею топливных элементов (2), отличается тем, что батарея (2) выполнена в виде двух катушек (3), выполненных с возможностью наматывания на них широкой ленты (5) из сплава металла (6) и перематывания ее с одной катушки (4) на другую (7), при этом на одной из катушек (4) сплав металла (6) соединен с водородом с образованием металлогидрида Al(Вh5)3 или Bi(Bh5)2 с высоким содержанием водорода, причем лента (5) проходит между катушками (4/7) около термовыделяющего электрического элемента (8), расположенного вне корпуса (1), с обеспечением выделения из нее водорода, корпус имеет застекленное окно (9), а катушки (3) разделены термоизолирующей перегородкой (10).

Работа. Катушки (3) перематываются так, чтобы после зарядки в гальванической ванне вся лента (5) расположилась на катушке (4). Специальный привод (на фиг.1 не показан) обеспечивает перемотку ленты на вторую катушку (7). Лента (5) проходит мимо термовыделяющих элементов (8), и под воздействием высокой температуры выделяется водород. Его объем и скорость выделения определяются температурой термовыделяющего элемента (8) и скоростью вращения катушек (3). Расположение термовыделяющего элемента (8) вне корпуса (1) исключает возгорание водорода. Термоизолирующая перегородка (10) исключает нагрев катушки (4) избыточным теплом от катушки (7). Корпус (1) аккумулятора выполнен в форме кассеты (11). Через отверстие (12) в корпусе (1) водород выходит из корпуса (1).

Технико-экономические показатели значительно выше прототипа, т.к. можно получать необходимое количество водорода из аккумулятора, что позволяет сделать сам аккумулятор мобильным устройством, и это удобно в эксплуатации, и можно менять кассеты с аккумулятором по необходимости.

Металлогидридный аккумулятор для хранения водорода, имеющий корпус, батарею топливных элементов, отличающийся тем, что батарея выполнена в виде двух катушек, выполненных с возможностью наматывания на них широкой ленты из сплава металла и перематывания ее с одной катушки на другую, при этом на одной из катушек сплав металла соединен с водородом с образованием металлогидрида Al(Bh5)3 или Bi(Bh5)2 с высоким содержанием водорода, причем лента проходит между катушками около термовыделяющего электрического элемента, расположенного вне корпуса, с обеспечением выделения из нее водорода, корпус имеет застекленное окно, а катушки разделены термоизолирующей перегородкой.

www.findpatent.ru


Смотрите также