авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах: закономерности и технологические рекомендации

-- [ Страница 2 ] --
Тип аккумулятора Номер аккумулятора Общее количество газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона, л Количество выделившегося пара, л Оставшийся газ, л
НКБН-25-У3 1 325 70 255
2 348 62 286
3 305 75 230
4 360 67 293
НКБН-40-У3 1 490 107 383
2 506 112 394
НКГ-8К 1 26 6 20
НКГ-50СА 1 165 36 129

Пар отделялся путем охлаждения накопительной емкости, а оставшийся газ анализировался с помощью объемно-оптического газоанализатора ООГ-2М. Результаты анализа представлены в таблице 2.

Таблица 2

Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона

Тип аккумуляторов Номер аккумулятора Концентрация водорода, % Концентрация кислорода, % Концентрация прочих газов, %
НКБН-25-У3 1 85 14 1
2 89 10,2 0,8
3 87,2 12,1 0,7
4 87 12,4 0,6
НКБН-40-У3 1 92 7,3 0,7
2 94 5,2 0,8
НКГ-8К 1 95 4,5 0,5
НКГ-50СА 1 91 8,4 0,6

Если предположить, что в результате теплового разгона происходит разложение воды, то в газовой смеси должно быть 33,3 % кислорода и 66,7 % водорода. Экспериментальные результаты показали, что водорода намного больше. Это можно объяснить, только предположив, что водород уже присутствовал в электродах в какой-то форме еще до теплового разгона, а в результате теплового разгона, возможно из-за высокой температуры, он выделился в больших количествах. Причем количество выделившегося водорода из негерметичных аккумуляторов больше, чем его содержится во всем электролите, если его разложить на водород и кислород.

В пятом разделе описаны результаты циклирования аккумуляторов двух типов: с ламельными электродами 3ШНК-10-05 и КН-10 и с прессованными электродами в толстом сепараторе, а именно 3ШКНП-10М-05 и 2КНБ-2 (по 20 штук каждого типа). Заряд производился при постоянных напряжениях, отмеченных выше, а разряд и контрольно-тренировочные циклы - в соответствии с инструкцией по эксплуатации конкретных батарей. У всех аккумуляторов срок службы превышал гарантийный в полтора раза. Несмотря на это, из 640 зарядно-разрядных циклов, выполненных для каждого типа аккумуляторов, тепловой разгон не наблюдался ни в одном случае. Результаты проведенных экспериментальных исследований свидетельствуют о маловероятности или невозможности теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах данных конструкций.

В шестом разделе выполнен визуальный анализ последствий теплового разгона. Сделаны следующие выводы:

  1. Тепловой разгон является локальным явлением, так как в результате этого процесса сепаратор прогорает только в определенных местах, а не на всей поверхности электрода.
  2. Круги прогорания сепаратора расположены на различных электродах в совершенно различных местах. Следовательно, можно сделать вывод, что тепловой разгон имеет случайный характер и возникает в случайных местах.
  3. Места прогорания сепаратора имеют форму правильных кругов, причем совершенно различного радиуса. Следовательно, можно предположить, что тепловой разгон начинается из точки и, подобно процессу горения, равномерно распространяется по радиусу от данной точки.

Третья глава состоит из восьми разделов и посвящена исследованию накопления газов в электродах щелочных аккумуляторов.

В первом разделе описана методика эксперимента и экспериментальная установка для исследования процесса выделения газов из электродов аккумуляторов путем их термического разложения. Во втором разделе описана методика анализа состава газовой смеси (водород, кислород) взрывным методом.

В третьем разделе описаны результаты определения количества газа, выделившегося при термическом разложении оксидно-никелевых и кадмиевых электродов, взятых по одному из трех различных аккумуляторов НКБН-25-У3, НК-125, 3ШКНП-10-05. Термическое разложение электродов производилось при температуре 800 0С. Результаты экспериментов представлены в таблице 3.

Согласно полученным результатам в электродах аккумуляторов, действительно, еще до теплового разгона присутствует большое количество водорода. Указанные в таблице значения относятся к одному электроду аккумулятора. В целом в аккумуляторе НКБН-25-У3 содержится, примерно, 805 л водорода, в аккумуляторе НК-125 - 4810 л водорода; в батарее 3ШКНП-10-05 - 310 л в одном аккумуляторе. В авиационной батарее 20НКБН-25-У3, таким образом, содержится около 80520 = 16100 л водорода. Выход столь значительного объема водорода во время теплового разгона из аккумуляторов в салон самолета может привести к взрыву большой мощности. Последствия такого взрыва могут быть катастрофическими.

Таблица 3

Содержание водорода в оксидно-никелевом и кадмиевом электродах

никель-кадмиевых аккумуляторов

Тип аккумулятора Номер аккумулятора Срок эксплуатации, год Тип электрода Объем выделившегося газа из одного электрода, л
НКБН-25-У3 1 5,3 Ni 35,8
Cd 19,6
2 6,1 Ni 36
Cd 20
3 7 Ni 35,7
Cd 20
НК-125 1 7 Ni 510
Cd 350
2 9,3 Ni 520
Cd 360
3 10 Ni 505
Cd 355
3ШКНП-10-05 1 2 Ni 35
Cd 20
2 2,5 Ni 34
Cd 22
3 3 Ni 36
Cd 22,6

В четвертом разделе описаны результаты анализа выделившегося из обоих электродов газа, выполненного с помощью газоанализатора ООГ-2М. Данный анализ показал, что газовая смесь, выделяющаяся в результате термического разложения как кадмиевого, так и оксидно-никелевого электродов, состоит, в среднем, на 99 % из водорода, на 0,7 % из кислорода и на 0,3 % из прочих газов.

В разделе пять обсуждаются зависимости скорости газовыделения из электродов аккумуляторов НКБН-25-У3 и НК-125 от температуры разложения. Оксидно-никелевые электроды разлагались при температурах: 700; 900; 1000; 1100 0С, а кадмиевые - при температурах: 500; 700; 900; 1100 0С. Скорость газовыделения определяли по объему выделившегося газа в течение пяти минут. Было установлено:

1. Скорость газовыделения уменьшается экспоненциально во времени.

2. С ростом температуры разложения скорость газовыделения и количество выделившегося газа возрастают.

3. Процесс газовыделения при термическом разложении электродов происходил, в среднем, на оксидно-никелевом металлокерамическом электроде за 140 часов, а на кадмиевом намазном электроде - за 78 часов (аккумулятор НКБН-25-У3), для аккумуляторов с ламельными электродами НК-125 и прессованными электродами 3ШКНП-10-05 - за 90 часов на обоих электродах.

В шестом разделе описаны результаты экспериментальных исследований процесса релаксации газовыделения. При исследовании динамики газовыделения процесс термического разложения электродов производился по 12-16 часов. Затем процесс прерывался на 8-12 часов и повторно на следующий день возобновлялся. При этом в первые полчаса, после запуска установки, скорость газовыделения всегда была значительно выше скорости газовыделения в момент предыдущего отключения установки. Данный релаксационный характер газовыделения свидетельствует о том, что в электродах водород находится внутри некоторого вещества или объемных зерен некоторого вещества. В этом случае, по мере терморазложения, концентрация водорода в поверхностных слоях электродов уменьшается, и скорость газовыделения падает. Во время паузы за счет диффузионных процессов концентрации выравниваются по всему объему. Поэтому к моменту последующего включения установки концентрация водорода в поверхностных слоях электродов становится больше, чем в момент ее отключения и, следовательно, скорость газовыделения после включения повышается.

В седьмом разделе описаны результаты терморазложения электродов аккумуляторов с различным сроком эксплуатации. Показано, что чем больше срок эксплуатации аккумуляторов, тем больше водорода содержится в его электродах. Причем в электродах новых аккумуляторов водород полностью отсутствует. Полученные результаты свидетельствуют о том, что водород накапливается в электродах щелочных аккумуляторов по мере их эксплуатации.

В восьмом разделе описаны результаты терморазложения оксидно-никелевых и железных электродов аккумулятора ТЖН-250-У2. Терморазложение производилось при температуре 800 0С. При этом из оксидно-никелевых электродов, в среднем, выделилось в два раза больше газовой смеси (850-1000л), чем из железных (350-450 л). Таким образом, оксидно-никелевые и железные электроды никель-железных аккумуляторов также содержат большое количество водорода. С помощью газоанализатора ООГ-2М установлено, что в результате термического разложения оксидно-никелевых и железных электродов аккумуляторов ТЖН-250-У2 выделяется газ, который, в среднем, на 98% состоит из водорода, на 1,2 % - из кислорода и на 0,8 % - из прочих газов.

Четвертая глава состоит из девяти разделов и посвящена установлению формы существования водорода в электродах никель-кадмиевых аккумуляторов, а также анализу механизма и моделированию теплового разгона.

В первом разделе на основании экспериментальных данных установлен источник появления водорода в электродах аккумуляторов - это разложение электролита на кислород и водород во время буферного режима работы аккумуляторов или во время их заряда.

Во втором разделе рассмотрены наиболее вероятные формы существования водорода в электродах. Чисто теоретически можно предположить, что водород накапливается или в активном веществе электродов, или в металлокерамической матрице, или в наполнителе (графит, сажа) для ламельных, намазных и прессованных электродов. Если водород накапливается в металлокерамической матрице, то здесь также возможны различные формы накопления. Во-первых, водород, возможно, просто интеркалирован в металл (- фаза металлогидрида). Во-вторых, он, возможно, образует связанное соединение (- фаза металлогидрида). В-третьих, водород, возможно, накапливается в мельчайших микродефектах кристаллической решетки (различных дислокациях и другие дефектах структуры металла) под действием очень большого капиллярного давления.

В третьем разделе выполнена серия экспериментов с целью проверки гипотезы о возможном накоплении водорода в гидроксидах никеля. Если водород просто интеркалирован в гидроксиды никеля, то при взаимодействии гидроксидов с вводимыми кислотами внедренный водород должен будет выйти, так как гидроксиды никеля преобразуются в соль, которая перейдет в раствор. Для этого можно использовать любую кислоту, которая образовывала бы с гидроксидами никеля растворимые соли, но не взаимодействовала или плохо взаимодействовала с металлической матрицей. В эксперименте использовался 22,6 % раствор серной кислоты, так как данная кислота удовлетворят отмеченным выше требованиям. Травление оксидно-никелевых электродов выполнялось в течение 30 минут, за это время никаких изменений в никелевой матрице не происходило. Было установлено:

1. При травлении оксидно-никелевого электрода в серной кислоте водород вообще не выделяется. Из этого следует, что интеркалированного в гидроксид никеля водорода нет.

2. Потеря веса оксидно-никелевыми электродами в результате их травления в серной кислоте составила 32-36 %. Данные электроды были изготовлены на УЭХК г. Луганск. По нашему запросу с завода было сообщено, что положительный электрод содержит 30-36 % гидроксидов никеля и 1-2 % гидроксидов кобальта. Полученные в опытах значения потери веса электродами, находятся в данном диапазоне. Поэтому можно утверждать, что в активном веществе оксидно-никелевого электрода нет нерастворимых в серной кислоте соединений водорода.

Таким образом, в активном веществе оксидно-никелевого электрода аккумулятора НКБН-25-У3 водород не содержится ни в виде интеркаляции, ни в виде каких-либо других соединений.

В четвертом разделе выполнена серия экспериментов с целью проверки гипотезы о накоплении водорода в металлокерамической никелевой матрице. С этой целью из оксидно-никелевого электрода предварительно был удален гидроксид никеля растворением в серной кислоте. Затем никелевую матрицу электрохимически растворяли в стандартном сульфатном растворе никелирования (рафинирования). Если водород интеркалирован в никелевую матрицу или находится в микродефектах кристаллической решетки, то он должен был бы выйти при электрохимическом растворении матрицы. В эксперименте установлено:

  1. В результате электрохимического растворения никелевой металлокерамической матрицы оксидно-никелевого электрода водород не выделяется. При любом способе накопления водорода в металле первой стадией должна быть стадия интеркаляции водорода в металл. Однако эксперимент показал, что внедренного в кристаллическую решетку водорода нет. Это можно объяснить дегазацией оксидно-никелевого электрода в процессе хранения аккумулятора после снятия его с эксплуатации. Все исследованные в данном эксперименте аккумуляторы хранились на складе после снятия с эксплуатации не менее года.
  2. В результате растворения металлокерамической никелевой матрицы часть электрода, погруженного в раствор, отделилась и упала на дно колбы. При этом упавшая часть имела вид исходного электрода без каких-либо изменений. Однако при извлечении из раствора и прикосновении к упавшей части, она рассыпалась на порошок в виде мелких кристаллов серого цвета с металлическим блеском. Как известно, все металлогидриды переходных элементов имеют вид светлых и темных кристаллов с металлическим блеском. Таким образом, можно предположить, что упавшая часть исследуемого электрода представляла собой агломераты кристаллов металлогидрида никеля. То, что это металлогидрид в дальнейшем было доказано термическим разложением полученного порошка.
  3. Результат взвешивания порошка металлогидрида никеля показал, что он составляет, примерно, половину веса металлокерамической матрицы. Таким образом, доказано, что именно металлогидрид никеля является главной формой накопления водорода в оксидно-никелевом электроде.

Результаты исследований позволили заключить, что оксидно-никелевый электрод никель-кадмиевого аккумулятора, снятого с эксплуатации состоит из трех фаз: активного вещества (гидроксида никеля), металлогидрида и чистого никеля, причем примерно, в равных весовых долях.

В пятом разделе выполнена серия экспериментов с целью проверки выше описанных результатов. С этой целью никелевую матрицу химически растворяли в концентрированной соляной кислоте. В результате растворения выделилось не 6 литров водорода, как этого надо было бы ожидать в случае полного растворения никеля весом около 16 грамм, а, примерно, в два раза меньше. То есть растворилось, в среднем, около восьми грамм никеля. Остальная часть матрицы представляла не чистый никель, а его соединения, нерастворимые в соляной кислоте и выпавшие в виде осадка. Термическим разложением осадка было доказано, что это металлогидрид никеля.

В шестом разделе был выполнен расчет энергетического баланса теплового разгона. Расчет показал, что за время теплового разгона исследуемый аккумулятор получил от зарядного устройства 18,7 кДж, накопленная им электрическая энергия составляла 13 кДж, а выделилось более 300 кДж. Таким образом, ни энергия, затраченная зарядным устройством, ни накопленная в аккумуляторе электрическая энергия не являются основными источниками энергии, выделяемой в результате теплового разгона, хотя они, бесспорно, способствуют тепловому разгону, особенно на начальном этапе. Полученные результаты свидетельствуют о том, что тепловой разгон сопровождается мощной экзотермической реакцией с большим выделением тепла.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.