Никель-водородный аккумулятор

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Никель-водородный аккумулятор (NiH2 или Ni–H2) - это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов [1]. Он отличается от никель-металл-гидридного аккумулятора использованием водорода в газообразной форме, хранящегося в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар[2].

NiH2 ячейки с использованием 26% раствора гидроксида калия (KOH) в качестве электролита достигают срока эксплуатации в 15 лет или более при 80% глубине разряда [3]. Плотность энергии составляет 75 Вт•ч/кг, 60 Вт•ч/дм3 [4] [5]. Напряжение на контактах составляет 1,55 В, среднее напряжение на протяжении разряда - 1,25 В [6].

Несмотря на то, что плотность энергии составляет только около одной трети аналогичного показателя литиевой батареи, специфическим свойством никель-водородного аккумулятора является продолжительность срока эксплуатации: ячейки выдерживают более чем 20000 циклов разряда[7] при 85% эффективности.

NiH2 аккумуляторы обладают хорошими электрическими свойствами, делающими их привлекательными для хранения электрической энергии на космических аппаратах [8]. Например, МКС [9], Messenger[10], Марс Одиссей[11], Mars Global Surveyor[12] и MRO оборудованы никель-водородными аккумуляторами. Телескоп Хаббла, когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года спустя 19 лет после запуска, достиг наибольшего числа циклов разряда среди NiH2 батарей на низких опорных орбитах [13].

История

Развитие никель-водородных аккумуляторов началось в 1970 году в COMSAT[14] где впервые были использованы в 1977 году на борту спутника NTS-2 военно-морских сил США.[15]

Характеристики

Никель-водородный аккумулятор объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевого элемента и отрицательный электрод, включающий катализатор и газ-диффузионную часть топливного элемента. В ходе разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением, взаимодействует с кислородом никельоксихлоридного электрода. Вода потребляется на никелевом электроде и высвобождается на водородном, таким образом концентрация гидроксида калия в электролите не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надёжную индикацию степени разряда. В батарее одного из коммуникационных спутников давление при полном заряде было свыше (3,4 МПа), падая практически до (0,1 МПа) при полном разряде.

Если заряженный аккумулятор продолжить заряжать, вода, образуемая на никелевом электроде диффундирует в водородный электрод и там диссоциирует; как следствие, аккумуляторы могут выдерживать перезаряд до тех пор, пока рассеивается выделяющееся тепло.

Аккумуляторы имеют недостаток в виде относительно высокого саморазряда, который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50 % ёмкости могут быть потеряны после нескольких дней хранения. Саморазряд снижается при снижении температуры. [16]

В сравнении с другими аккумуляторами никель-водородные обладают хорошей плотностью энергии в 60 Вт•ч/кг, и очень длительным сроком эксплуатации на спутниках. Ячейки могут выдерживать перезарядку, случайное нарушение полярности, давление водорода в ячейке обеспечивает хорошую индикацию степени разряда. Однако, газообразная природа водорода означает, что объёмная эффективность достаточно низка, а требуемое высокое давление приводит к необходимости использовать дорогие сосуды под давлением.[16]

Положительный электрод изготавливают из спечённого[17] пористого никелевого диска, который содержит гидроксид никеля. В отрицательном водородном электроде используют связанный тефлоном платиновый катализатор с сепаратором из циркониевых нитей[18].[19]

Конструкция

Конструкция аккумулятора с индивидуальным сосудом (IPV) состоит из NiH2 ячейки и сосуда под давлением. [20]

Конструкция аккумулятора с общим сосудом (CPV) состоит из двух последовательных NiH2 ячеек и общего сосуда под давлением. CPV обеспечивает несколько большую плотность энергии, чем IPV.

SPV конструкция объединяет до 22 ячеек в общем сосуде.

В биполярной конструкции достаточно толстый электрод является общим: положительным для одной и отрицательным для соседней ячейки в SPV. [21]

Конструкция с зависимым сосудом (DPV) обеспечивает большую плотность энергии при меньших затратах.[22]

Конструкция с общим/зависимым сосудом (C/DPV) является гибридом CPV и DPV с высокой объёмной эффективностью.[23]

  • Схемы

См. также

Ссылки

  1. ↑ Упрощенная физическая модель никель-водородного аккумулятора. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года.
  2. ↑ Практика эксплуатации и хранения никель-водородных аккумуляторов космических аппаратов. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано из оригинала 23 октября 2012 года.
  3. ↑ Калий-гидроксидный электролит никель-водородных аккумуляторов для долговременных геостационарных миссий. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 18 марта 2009 года.
  4. ↑ Энергосистемы космических аппаратов Стр.9. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 14 августа 2014 года.
  5. ↑ NASA/CR—2001-210563/PART2 -Pag.10 Архивировано 19 декабря 2008 года.
  6. ↑ Оптимизация электрических подсистем космических аппаратов Стр.40. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 13 июля 2012 года.
  7. ↑ Новости пятилетки: обзор никель-водородной индустрии. Дата обращения: 19 июля 2022. Архивировано 14 марта 2020 года.
  8. ↑ Характеристика Ni-H2 ячеек для программ INTELSAT. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 6 июня 2011 года.
  9. ↑ Контроль электрических характеристик МКС с помощью орбитальной телеметрии Архивировано 18 февраля 2009 года.
  10. ↑ USA.gov: The U.S. Government's Official Web Portal. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 24 августа 2007 года.
  11. ↑ Легкие высоконадежные однобатарейные энергосистемы для автоматических межпланетных станций. Дата обращения: 19 июля 2022. Архивировано 10 августа 2009 года.
  12. ↑ Mars Global Surveyor Архивировано 10 августа 2009 года.
  13. ↑ Вклад надежности NiH2 батарей телескопа Хаббл. Дата обращения: 19 июля 2022. Архивировано 11 августа 2009 года.
  14. ↑ Технология никель-водородных аккумуляторов - развитие и состояние Архивировано 18 марта 2009 года.
  15. ↑ Производительность никель-водородных аккумуляторов NTS-2
  16. ↑ 1 2 David Linden, Thomas Reddy (ed.) Справочник аккумуляторов. Третье издание, McGraw-Hill, 2002 ISBN 0-07-135978-8 Глава 32, «Никель-водородные аккумуляторы»
  17. ↑ Сравнение эффективности NiH2 спеченных и суспензионных электродных ячеек. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 6 июня 2011 года.
  18. ↑ Сепараторы аккумуляторов из циркониевых нитей Архивировано 17 августа 2008 года.
  19. ↑ Никель-водородные аккумуляторы. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 28 июля 2013 года.
  20. ↑ Никель-водородные аккумуляторы - обзор Архивировано 12 апреля 2009 года.
  21. ↑ Развитие крупных биполярных NiH2 аккумуляторов.
  22. ↑ 1995 - зависимые сосуды под давлением (DPV)
  23. ↑ Общие/зависимые сосуды под давлением никель-водородных аккумуляторов. Дата обращения: 2 декабря 2012. Архивировано 7 августа 2012 года.

Литература

  • Albert H. Zimmerman (ed), Nickel-Hydrogen Batteries Principles and Practice, The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9.

Внешние ссылки