所謂蓄電池即是貯存化學能量,於必要時放出電能的一種電氣化學裝置。
構成鉛蓄電池之主要成份如下:
陽極板(過氧化鉛.PbO2)---> 活性物質
陰極板(海綿狀鉛.Pb) ---> 活性物質
電解液(稀硫酸) ---> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)
電池外殼
隔離板
其它(液口栓.蓋子等)
一、鉛蓄電池之原理與動作
鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,兩極間會產生2V的電力,這是根據鉛蓄電池原理,經由充放電,則陰陽極及電解液即會發生如下的變化:
(陽極) (電解液) (陰極)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應)
(過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應)
(硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)
1. 放電中的化學變化
蓄電池連線外部電路放電時,稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物『硫酸鉛』。經由放電硫酸成分從電解液中釋出,放電愈久,硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例,只要測得電解液中的硫酸濃度,亦即測其比重,即可得知放電量或殘餘電量。
2. 充電中的化學變化
由於放電時在陽極板,陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升,並逐漸回覆到放電前的濃度,這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態,當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時,即等於充電結束,而陰極板就產生氫,陽極板則產生氧,充電到最後階段時,電流幾乎都用在水的電解,因而電解液會減少,此時應以純水補充之。
二、電動車用蓄電池的構造
由於玻璃纖維管式鉛蓄電池是累積多次實驗結果而製成,故具有多項優點。
三、蓄電池的容量
電動車用蓄電池的容量以下列條件表示之:
◎ 電解液比值 1.280/20℃
◎ 放電電流 5小時的電流
◎ 放電終止電壓 1.70V/Cell
◎ 放電中的電解液溫度 30±2℃
1.放電中電壓下降 放電中端子電壓比放電前之無負載電壓(開路電壓)低,理由如下:
(1)V=E-I.R
V:端子電壓(V) I:放電電流(A)
E:開路電壓(V) R:內部阻抗(Ω)
(2)放電時,電解液比重下降,電壓也降低。
(3)放電時,電池內部阻抗即隨之增強,完全充電時若為1倍,則當完全放電時,即會增強2~3倍。
用於起重時之電瓶電壓之所以比用於行走時的電壓低,乃是由於起重用之油壓馬達比行走用之驅動馬達功率大,因此放電流大,則上式的I.R亦變大。
2.蓄電池之容量表示
在容量試驗中,放電率與容量的關係如下:
5HR....1.7V/cell
3HR....1.65V/cell
1HR....1.55V/cell
嚴禁到達上述電壓時還繼續繼續放電,放電愈深,電瓶內溫會升高,則活性物質劣化愈嚴重,進而縮短蓄電池壽命。
因此,堆高機無負重揚升時的電池電壓若已達1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v),則應停止使用,馬上充電。
3.蓄電池溫度與容量
當蓄電池溫度降低,則其容量亦會因以下理由而顯著減少。
(A)電解液不易擴散,兩極活性物質的化學反應速率變慢。
(B)電解液之阻抗增加,電瓶電壓下降,蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而減少。
因此:
(1)冬季比夏季的使用時間短。
(2)特別是使用於冷凍庫的蓄電池由於放電量大,而使一天的實際使用時間顯著減短。
若欲延長使用時間,則在冬季或是進入冷凍庫前,應先提高其溫度。
4.放電量與壽命
每日反覆充放電以供使用時,則電池壽命將會因放電量的深淺,而受到影響。
5.放電量與比重
蓄電池之電解液比重幾乎與放電量成比例。因此,根據蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重,即可推算出蓄電池的放電量。
測定鉛蓄電池之電解液比重為得知放電量的最佳方式。因此,定期性的測定使用後的比重,以避免過度放電,測比重的同時,亦側電解液的溫度,以20度C所換算出的比重,切勿使其降到80%放電量的數值以下。
6.放電狀態與內部阻抗
內部阻抗會因放電量增加而加大,尤其放電終點時,阻抗最大,主因為放電的進行使得極板內產生電流的不良導體—硫酸鉛及電解液比重的下降,都導致內部阻抗增強,故放電後,務必馬上充電,若任其持續放電狀態,則硫酸鉛形成安定的白色結晶後(此即文獻上所說的硫化現象),即使充電,極板的活性物資亦無法恢復原狀,而將縮短電瓶的使用年限。
蓄電池放電,則陰、陽極板同時產生硫酸鉛(PbS04),若任其持續放電,不予充電,則最後會形成安定的白色硫酸鉛結晶(即使再充電,亦難再恢復原來的活性物質)此狀態稱為白色硫化現象。
7.放電中的溫度
當電池過度放電,內部阻抗即顯著增加,因此蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高,會提高充電完成時溫度,因此,將放電終了時的溫度控制在40℃以下為最理想。
四、充電的管理
1.蓄電池的充電特性
蓄電池充電的端子電壓如下式表示
V= E+I.R,在此
E=電瓶電壓(V) I=充電電流(A) R=內部阻抗(Ω)
2.蓄電池溫度與壽命
蓄電池溫度(電解液溫度)升高,則陰陽極板上的活性物質即會劣化,並腐蝕陽極格子,而縮短電池壽命,相對的,電池溫度太低時,會使電池蓄電容量減少,容易過度放電,進而使電池壽命縮短。此種關係也會因電池型式,極板材質而有變化。故應遵守下列之使用條件:
通常蓄電池之電解液溫度應維持在15~55℃為理想使用狀態,不得已的情況下,也不可超過放電時-15~55℃,充電時0~60℃的範圍。實際使用時,由於充電時溫度會上升,因此,放電終了時之電解液溫度以維持在40℃以下為最理想。
3.充電量與壽命
蓄電池所須之充電量為放電量的110~120%.放電量與蓄電池壽命具密切關係,假設充電量為放電量120%時的電池,使用壽命為1200回(4年),則當電池的充電量達放電量之150%時,則可推算該電池的壽命為:
1200回×120/150=960回(3·2年)
又,此150%的充電,迫使水被分解產生氣體,電解液遽減,將使充電終點的溫度上升,結果溫度上升造成耐用年限縮短。此外,充電不足即又重複放電使用,則會嚴重影響電池壽命。
◎ 堆高機舉重時,若電池溫度保持在10~40℃之間,其充電量亦維持在110~120%者,最能延長電池壽命,此時充電完成之比重,其20℃換算值約為1·28。
4.氣體的產生與通風換氣
充電中產生的氣體為氧與氫的混合氣,氫氣具爆炸性,若空氣中氫氣達3.8%以上,且又近火源,則會發生爆炸。充電場所必須通風良好,注意遠離火源,避免觸電。
五、電解液之管理
1.比重測定
測量比重時,須使用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒,從浮標之刻度即可測知比重。
鉛蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而變化,電解液比重乃以攝氏20度時的比重為標準,因此比重計上的讀數,必須換算為攝氏20度時之標準比重。當溫度變化攝氏一度時,則比重即變化0.0007,因此,在測量比重的同時,必須測量溫度,測溫時,請使用棒狀酒精溫度計。
該溫度t℃時所測之比重為St,則以下式換算標準溫度20℃時之比重S20
S20=St+0.0007(t-20)
S20...為換算成20℃時的比重
St....為t℃時所測之比重
t.....為測得電解液之實際攝氏溫度
例如:20℃時比重為1.280者,在10℃時變成1.287;30℃時,變成1.273
2.純水之補充
重複放電時,電解液麵會緩緩下降,因此定期檢視電解液液位,隨時補充純水,以維持適當之液位,若因忽略補水,而露出極板,則會傷害極板。蓄電池用純水的標準按日本蓄電池工業會SBA4001的規定如下:
專案
單位
規格
濁度
-
無色透明
液性
中性
導電度
μυ/cm
10以下
氯
%
0.0001以下
鐵(Fe)
硫酸根(SO4)
強熱殘分
0.001以下
其它
0.005以下
3.電解液中的不純物與電池壽命
電解液中若含有硝酸、鹽酸、亞硫酸、鹽素、有機物等,則會腐蝕極板,加速縮短電池壽命,同時也會加速自我放電,此外,銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導致自我放電量增加。
蓄電池補充液位時,一定要使用純水,用水沖洗電瓶時,一定要將電池帽蓋緊以避免沖洗用水流入電瓶內。
4.補水過多所造成的弊端
補水時若超過最高液麵(參照第4-1)則充電時就會發生滿溢,而使稀硫酸成份流失,腐蝕電瓶箱,電解液比重偏低造成蓄電容量不足等。
六、其它
1.自我放電
蓄電池當其內部發生純化學反應,或因不純物汙染造成電化學反應,或長久不用皆會耗電,此即稱為自我放電。自我放電之耗電程度乃視蓄電池構造溫度、比重、不純物,使用過等而有所不同,一般在一天內會放掉0.5~1%,蓄電池在使用前的儲存期間就會自我放電,消耗蓄電量。
當蓄電池處於長期持續放電狀態時,則一旦形成白色硫酸鉛化,則即使再充電,也無法恢復其容量。庫存期間務必每1個月就充電一次。
2.電瓶壽命終期的判定
蓄電池到壽命終期,其容量就會減少,至於其容量在數字上退減的程度為何?則可依容量試驗測定之。
放電前必須確定電池的比重與電壓已達最高值,然後再持續充電1小時,才能完全充電。
充電終期是將比重調整到1.28±0.01(20℃)液麵亦維持在規定液麵的標準。
放電開始時期:充電完全放置1小時後。
放電電流:5HR規格容量的1/5(5HR400AH時固定電流為80A)
放電終止電壓:平均1.7V/cell (24cell為40.8V,12cell 20.4V)
容量:放電電流×到達終止電壓之前的放電時間
1年前 - 檢舉
所謂蓄電池即是貯存化學能量,於必要時放出電能的一種電氣化學裝置。
構成鉛蓄電池之主要成份如下:
陽極板(過氧化鉛.PbO2)---> 活性物質
陰極板(海綿狀鉛.Pb) ---> 活性物質
電解液(稀硫酸) ---> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)
電池外殼
隔離板
其它(液口栓.蓋子等)
一、鉛蓄電池之原理與動作
鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,兩極間會產生2V的電力,這是根據鉛蓄電池原理,經由充放電,則陰陽極及電解液即會發生如下的變化:
(陽極) (電解液) (陰極)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應)
(過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)
(陽極) (電解液) (陰極)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應)
(硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)
1. 放電中的化學變化
蓄電池連線外部電路放電時,稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物『硫酸鉛』。經由放電硫酸成分從電解液中釋出,放電愈久,硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例,只要測得電解液中的硫酸濃度,亦即測其比重,即可得知放電量或殘餘電量。
2. 充電中的化學變化
由於放電時在陽極板,陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升,並逐漸回覆到放電前的濃度,這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態,當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時,即等於充電結束,而陰極板就產生氫,陽極板則產生氧,充電到最後階段時,電流幾乎都用在水的電解,因而電解液會減少,此時應以純水補充之。
二、電動車用蓄電池的構造
由於玻璃纖維管式鉛蓄電池是累積多次實驗結果而製成,故具有多項優點。
三、蓄電池的容量
電動車用蓄電池的容量以下列條件表示之:
◎ 電解液比值 1.280/20℃
◎ 放電電流 5小時的電流
◎ 放電終止電壓 1.70V/Cell
◎ 放電中的電解液溫度 30±2℃
1.放電中電壓下降 放電中端子電壓比放電前之無負載電壓(開路電壓)低,理由如下:
(1)V=E-I.R
V:端子電壓(V) I:放電電流(A)
E:開路電壓(V) R:內部阻抗(Ω)
(2)放電時,電解液比重下降,電壓也降低。
(3)放電時,電池內部阻抗即隨之增強,完全充電時若為1倍,則當完全放電時,即會增強2~3倍。
用於起重時之電瓶電壓之所以比用於行走時的電壓低,乃是由於起重用之油壓馬達比行走用之驅動馬達功率大,因此放電流大,則上式的I.R亦變大。
2.蓄電池之容量表示
在容量試驗中,放電率與容量的關係如下:
5HR....1.7V/cell
3HR....1.65V/cell
1HR....1.55V/cell
嚴禁到達上述電壓時還繼續繼續放電,放電愈深,電瓶內溫會升高,則活性物質劣化愈嚴重,進而縮短蓄電池壽命。
因此,堆高機無負重揚升時的電池電壓若已達1.75v/cell(24cell的42v,12cell的21v),則應停止使用,馬上充電。
3.蓄電池溫度與容量
當蓄電池溫度降低,則其容量亦會因以下理由而顯著減少。
(A)電解液不易擴散,兩極活性物質的化學反應速率變慢。
(B)電解液之阻抗增加,電瓶電壓下降,蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而減少。
因此:
(1)冬季比夏季的使用時間短。
(2)特別是使用於冷凍庫的蓄電池由於放電量大,而使一天的實際使用時間顯著減短。
若欲延長使用時間,則在冬季或是進入冷凍庫前,應先提高其溫度。
4.放電量與壽命
每日反覆充放電以供使用時,則電池壽命將會因放電量的深淺,而受到影響。
5.放電量與比重
蓄電池之電解液比重幾乎與放電量成比例。因此,根據蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重,即可推算出蓄電池的放電量。
測定鉛蓄電池之電解液比重為得知放電量的最佳方式。因此,定期性的測定使用後的比重,以避免過度放電,測比重的同時,亦側電解液的溫度,以20度C所換算出的比重,切勿使其降到80%放電量的數值以下。
6.放電狀態與內部阻抗
內部阻抗會因放電量增加而加大,尤其放電終點時,阻抗最大,主因為放電的進行使得極板內產生電流的不良導體—硫酸鉛及電解液比重的下降,都導致內部阻抗增強,故放電後,務必馬上充電,若任其持續放電狀態,則硫酸鉛形成安定的白色結晶後(此即文獻上所說的硫化現象),即使充電,極板的活性物資亦無法恢復原狀,而將縮短電瓶的使用年限。
蓄電池放電,則陰、陽極板同時產生硫酸鉛(PbS04),若任其持續放電,不予充電,則最後會形成安定的白色硫酸鉛結晶(即使再充電,亦難再恢復原來的活性物質)此狀態稱為白色硫化現象。
7.放電中的溫度
當電池過度放電,內部阻抗即顯著增加,因此蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高,會提高充電完成時溫度,因此,將放電終了時的溫度控制在40℃以下為最理想。
四、充電的管理
1.蓄電池的充電特性
蓄電池充電的端子電壓如下式表示
V= E+I.R,在此
E=電瓶電壓(V) I=充電電流(A) R=內部阻抗(Ω)
2.蓄電池溫度與壽命
蓄電池溫度(電解液溫度)升高,則陰陽極板上的活性物質即會劣化,並腐蝕陽極格子,而縮短電池壽命,相對的,電池溫度太低時,會使電池蓄電容量減少,容易過度放電,進而使電池壽命縮短。此種關係也會因電池型式,極板材質而有變化。故應遵守下列之使用條件:
通常蓄電池之電解液溫度應維持在15~55℃為理想使用狀態,不得已的情況下,也不可超過放電時-15~55℃,充電時0~60℃的範圍。實際使用時,由於充電時溫度會上升,因此,放電終了時之電解液溫度以維持在40℃以下為最理想。
3.充電量與壽命
蓄電池所須之充電量為放電量的110~120%.放電量與蓄電池壽命具密切關係,假設充電量為放電量120%時的電池,使用壽命為1200回(4年),則當電池的充電量達放電量之150%時,則可推算該電池的壽命為:
1200回×120/150=960回(3·2年)
又,此150%的充電,迫使水被分解產生氣體,電解液遽減,將使充電終點的溫度上升,結果溫度上升造成耐用年限縮短。此外,充電不足即又重複放電使用,則會嚴重影響電池壽命。
◎ 堆高機舉重時,若電池溫度保持在10~40℃之間,其充電量亦維持在110~120%者,最能延長電池壽命,此時充電完成之比重,其20℃換算值約為1·28。
4.氣體的產生與通風換氣
充電中產生的氣體為氧與氫的混合氣,氫氣具爆炸性,若空氣中氫氣達3.8%以上,且又近火源,則會發生爆炸。充電場所必須通風良好,注意遠離火源,避免觸電。
五、電解液之管理
1.比重測定
測量比重時,須使用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒,從浮標之刻度即可測知比重。
鉛蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而變化,電解液比重乃以攝氏20度時的比重為標準,因此比重計上的讀數,必須換算為攝氏20度時之標準比重。當溫度變化攝氏一度時,則比重即變化0.0007,因此,在測量比重的同時,必須測量溫度,測溫時,請使用棒狀酒精溫度計。
該溫度t℃時所測之比重為St,則以下式換算標準溫度20℃時之比重S20
S20=St+0.0007(t-20)
S20...為換算成20℃時的比重
St....為t℃時所測之比重
t.....為測得電解液之實際攝氏溫度
例如:20℃時比重為1.280者,在10℃時變成1.287;30℃時,變成1.273
2.純水之補充
重複放電時,電解液麵會緩緩下降,因此定期檢視電解液液位,隨時補充純水,以維持適當之液位,若因忽略補水,而露出極板,則會傷害極板。蓄電池用純水的標準按日本蓄電池工業會SBA4001的規定如下:
專案
單位
規格
濁度
-
無色透明
液性
-
中性
導電度
μυ/cm
10以下
氯
%
0.0001以下
鐵(Fe)
%
0.0001以下
硫酸根(SO4)
%
0.0001以下
強熱殘分
%
0.001以下
其它
%
0.005以下
3.電解液中的不純物與電池壽命
電解液中若含有硝酸、鹽酸、亞硫酸、鹽素、有機物等,則會腐蝕極板,加速縮短電池壽命,同時也會加速自我放電,此外,銅、鎳、鐵、錳亦會傷害電池導致自我放電量增加。
蓄電池補充液位時,一定要使用純水,用水沖洗電瓶時,一定要將電池帽蓋緊以避免沖洗用水流入電瓶內。
4.補水過多所造成的弊端
補水時若超過最高液麵(參照第4-1)則充電時就會發生滿溢,而使稀硫酸成份流失,腐蝕電瓶箱,電解液比重偏低造成蓄電容量不足等。
六、其它
1.自我放電
蓄電池當其內部發生純化學反應,或因不純物汙染造成電化學反應,或長久不用皆會耗電,此即稱為自我放電。自我放電之耗電程度乃視蓄電池構造溫度、比重、不純物,使用過等而有所不同,一般在一天內會放掉0.5~1%,蓄電池在使用前的儲存期間就會自我放電,消耗蓄電量。
當蓄電池處於長期持續放電狀態時,則一旦形成白色硫酸鉛化,則即使再充電,也無法恢復其容量。庫存期間務必每1個月就充電一次。
2.電瓶壽命終期的判定
蓄電池到壽命終期,其容量就會減少,至於其容量在數字上退減的程度為何?則可依容量試驗測定之。
放電前必須確定電池的比重與電壓已達最高值,然後再持續充電1小時,才能完全充電。
充電終期是將比重調整到1.28±0.01(20℃)液麵亦維持在規定液麵的標準。
放電開始時期:充電完全放置1小時後。
放電電流:5HR規格容量的1/5(5HR400AH時固定電流為80A)
放電終止電壓:平均1.7V/cell (24cell為40.8V,12cell 20.4V)
容量:放電電流×到達終止電壓之前的放電時間
1年前 - 檢舉