赵宏军，齐索妮，沈 岩，李 嘉

（中国核电工程有限公司， 北京 100840）

核电厂铅钙蓄电池与铅锑蓄电池析氢量分析

赵宏军，齐索妮，沈 岩，李 嘉

（中国核电工程有限公司， 北京 100840）

蓄电池材质选型需根据厂家数据和相关标准文件。通过具体计算，对比分析铅钙合金和铅锑合金两种不同类型开口铅酸蓄电池析氢量的差异，为核电厂蓄电池的材质选择奠定基础。

铅锑；铅钙；析氢量

目前，核电厂核岛直流系统通常使用开口式（富液）铅酸蓄电池。按照极板材质划分，主要可分为铅钙合金、铅锑合金和大面积铅板型。AP1000核电站为第三代核电技术，我国的工程技术人员也对该项技术进行了多方面的研究[1]，在该类型的核电厂中采用了一种铅钙合金的蓄电池作为应急电源，其产品具有析氢量小，加水量少的特点。M310核电厂中采用的蓄电池均为铅锑蓄电池，这种电池重量较轻，价格便宜，但是析氢量大，补水间隔短，在使用过程中会发生减液现象。因为正极板栅上锑溶解，并通过隔板转移到负极表面，也就是栅架上的锑会污染负极板，减弱了完全充电后铅酸蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量的氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。蓄电池的逸气和自放电以及频繁的加水维护不可避免[2]。

而铅钙型蓄电池的析氢过电位高，可以基本上保证铅酸蓄电池在工作中有很低的水损耗和自放电，保证了良好的免维护性能[3]。在铅酸电池中用钙代替锑，就可以改变完全充电后的铅酸蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失。

蓄电池的析氢量直接关系到蓄电池房间的通风系统设计，蓄电池组的析氢量是通风系统的设计输入。在IEEE 484中对单只蓄电池每安时的氢气释放率有明确的数值要求，在EPRI的文件中也规定了蓄电池析氢量的计算公式[4-5]。

但铅钙蓄电池与铅锑蓄电池的析氢量的具体差异，尚未有专门的文献阐述。经过查阅和搜集相关规范要求、厂家资料，并利用相关标准中的公式，本文计算出不同厂家铅锑电池的析氢量并与铅钙型蓄电池进行对比分析，得到铅锑蓄电池与铅钙蓄电池的析氢量定量分析结果。

式中：N——每组蓄电池的个数，只；

K——充电时每安时的氢气释放率，mm3/s；

Ah——蓄电池额定容量，Ah；

FC——蓄电池每100 Ah浮充电电流，A，经验数据见表1。

环境条件：一个标准大气压，温度25 ℃。氢气释放率，ft3/h，

1 计算样本选取

本文中使用的铅钙电池参数主要参考了生产厂家提供的经验数据；铅锑电池样本采用了沈阳某蓄电池厂家以及武汉某蓄电池厂家提供的析氢量设计参数；同时还参考了武汉某蓄电池厂家的《固定型铅酸蓄电池介绍手册》；以及某铅钙蓄电池厂家运行维护手册附录中析氢量计算中的相关数据。120 ℉（48.9 ℃）时，当温度比77 ℉（25 ℃）每提高16 ℉（8.9 ℃）时，氢气释放量将双倍增长。

但不同结构的铅蓄电池，即使其他条件完全相同，其浮充电流也不相同；同样结构的不同容量电池，浮充电流会随电池容量增加而加大。极板原材料中的有害杂质会使活性物质自放电速度加快，从而引起浮充电流加大。

同时蓄电池使用寿命也影响浮充电流，新电池浮充电流较小，蓄电池在使用中，极板表面会逐渐遭到有害杂质污染，降低析氢和氧过电位，即常说的“锑中毒”从而促使浮充电流增加。另外，电池内部也会逐步形成微短路，引起浮充电流加大。

2 析氢量计算

2.1 计算公式

2.2 铅锑电池（GFD-2500，120只）

2.2.1 沈阳某厂家提供实测值（GFD-2500，120只）

浮充电压2.23 V/只时，实测值C浮充=347 mm3/s·只（浮充）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA1=41 640 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA1T=268 262mm3/s。

表1 引自EPRI出版物的FC的经验数据[4]Table 1 Typical float current in EPRI publication[4]

均充电电压为2.35 V/只时，实测值C均充=753.3 mm3/s（均充）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA1=90 396 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA1T=582 367 mm3/s。

2.2.2 武汉某厂家提供计算数据（OPzS

2500（2682 Ah）120只）

浮充时：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA2= 11 111 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA2T= 59 888 mm3/s。

均充时：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA2= 35 833 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA2T= 189 333 mm3/s。

2.2.3 国外某厂家提供的计算数据

浮充时，FC=0.185（2.25 V/只）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA3=70 418 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA3T=453 664 mm3/s。

均充时，FC=0.45（2.33 V/只）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA3=171 288 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA3T= 1 103 506 mm3/s。

2.2.4 EPRI 给出的数据

浮充时，FC=0.42（2.25 V/只）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA4=159 869 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA4T= 1 029 939 mm3/s。

均充时，FC=0.96（2.33 V/只）：

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，CA4=365 414 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CA4T= 2 354 146 mm3/s。

2.3 铅钙蓄电池（120只额定容量2 430 Ah）

美国某厂家提供的蓄电池样本：（每组铅钙蓄电池有120节额定容量2 430 Ah）

在每节蓄电池浮充电压为2.25 V的条件下：

● N=120，每组蓄电池的个数；

● K=126.88，充电时每安时的氢气释放率，mm3/s；

● Ah=2 430，蓄电池额定容量，Ah；

● FC=0.011，蓄电池每100 Ah浮充电电流，A；

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，C=4 032.8 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CT=25 981 mm3/s；

● 在每节蓄电池均衡充电电压为2.33 V的条件下，FC=0.024；

● 环境温度77 ℉（25 ℃）时，C=8 804.4 mm3/s；

● 环境温度120 ℉（48.9 ℃）时，CT= 56 721 mm3/s。

3 计算结果

计算结果见表2、表3所示。

4 结果分析

根据沈阳某厂家提供的铅锑蓄电池氢气释放率，浮充时氢气释放量是普通铅钙电池的41 640/4 032.8=10.32倍，在均充时，该差异可达到90 396/8 804.4=10.27倍。

根据武汉某厂家提供的铅锑蓄电池氢气释放率，浮充时氢气释放量是普通铅钙电池的11 111/4 032.8=2.75倍，在均充时，该差异可达到90 396/8 804.4=4.7倍。以上数据均为25 ℃时的比较值，若温度升高，则差异将进一步增大。

文中还引用了国外某厂家生产的铅锑蓄电池数据，每100 Ah浮充电流的经验值，浮充时铅锑蓄电池的氢气释放量是铅钙电池的70 418/4 032.8=17.46倍，在均充时，该差异可达到268 262/8 804.4=30.46倍。

表2 正常浮充状态下（2.25 V/只）的氢气释放量1）Table 2 Hydrogen generation during float charge（2.25 V/cell）1）

表3 蓄电池均衡充电状态下（2.33 V/只）的氢气释放量1）Table 3 Hydrogen generation during equalizing charge（2.33 V/cell）1）

根据EPRI提供的数据：浮充时铅锑蓄电池的氢气释放量是铅钙电池的159 869/ 4 032.8=39.64倍，在均充时，该差异可达到365 414/8 804.4=41.5倍。

在此计算中，铅锑电池每安时氢气释放率采用IEEE 484第5.4节给出的126.88  mm3/ s。最终的氢气释放量计算结果与浮充电流的大小成正比关系。新的铅锑电池与铅钙电池的氢气释放量一般为10倍左右的关系，旧的铅锑电池与铅钙电池的氢气释放量一般为40倍左右的关系。

通风专业根据蓄电池间的析氢量和换气要求，计算通风排风量，确定空调机组各风机、风阀、风管等的设计选型，若选择析氢量少的铅钙蓄电池，可以大大减少通风设备的容量。

[1] 苏荣福，唐涌涛. AP1000核电厂反应堆冷却剂系统布置设计[J]. 中国核电，2014.（SU Rongfu, TANG Yong-tao. Layout design of AP1000 reactor coolant system [J]. China Nuclear Power, 2014.）

[2] 许磊. 添加锡铋元素对铅钙电极合金性能的影响[J].材料导报，2008.（XU Lei. The impact of adding Sn-Bi elements to the alloy performance of Pb-Ca electrode [J]. Materials Review, 2008.）

[3] 梁晶晶. 关于免维护铅酸蓄电池铅钙合金掺杂元素的腐蚀研究[J]. 蓄电池，2012.（LIANG Jing-jing. Study on the corrosion of Pb-Ca alloy doping elements of maintenance free lead-acid battery [J]. Storage Battery, 2012.）

[4] EPRI EL 5036 V9.

[5] IEEE484-IEEE Recommended Practice for Installation Design and Installation of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications.

Hydrogen Generation Comparison Between Lead-Calcium and Lead-Antimony Batteries in Nuclear Power Plant

ZHAO Hong-jun，QI Suo-ni，SHEN Yan，LI Jia
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

Battery type selection is performed with the help of technical information supplied by vendors, and according to relevant criteria. Analysis and comparison of the hydrogen generation differences between two different lead-acid battery types are carried out through calculation. The analysis result may provide suggestions for battery type selection in nuclear power plant.

lead-antimony；lead-calcium；hydrogen generation

TM623Article character：A

：1674-1617(2014)04-0378-04

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0378-04

2014-09-12

赵宏军（1972—），男，河北人，高级工程师，学士，从事核电厂核岛低压及直流电气系统设计。