鉛酸電池置于防爆箱內的探究與分析

宋金山

（北京坤飛裝備科技有限公司， 北京 100073）

0 引言

為滿足助推運載器發射支持系統總裝廠房對某型地面裝備的需求， 研制了一款將鉛酸電池置于隔爆型防爆箱內的地面裝備。 以研制的該款防爆設備為研究對象，對鉛酸電池充電過程中電解液中水電解產生氫氣（H2），以及含氫量累積至爆炸體積濃度（4%～75%）時，遇到電火花導致爆炸的現象進行探究與分析[1]，并確定了隔爆型防爆箱的一種改進措施。

1 機理分析

1.1 設備電池選型

鉛酸電池由正負極板、隔板、殼體、安全閥、電解液槽和接線樁頭等組成， 其中電解液槽相當于單個電池的電解液容器；極板是蓄電池工作的核心部件，通過極板與電解液的電化學反應進行充放電；電解液是稀硫酸溶液，用水加濃硫酸配制而成[2]。

鉛酸電池充電到末期， 兩極轉化為有效物質后再繼續充電，就會產生大量的氫、氧氣體。 當這種混合氣體濃度在空氣中占4%時，遇到明火就會發生爆炸。 因此在爆炸性危險環境中使用時，必須將蓄電池進行防爆處理，使其能夠應用在符合爆炸危險場所要求的且具有相應防爆型式的電氣設備系統中。 基于鉛酸蓄電池析氫的特性：鉛酸蓄電池不能安裝使用在隔爆型式的防爆電氣設備中。因為鉛酸蓄電池若安裝在隔爆殼內， 由于在電池組充電達到60%～100%時，會產生氫氣和氧氣并會隨之釋放，這些氣體會從蓄電池釋放至隔爆殼內， 使得隔爆殼內部形成易燃易爆氣體并有可能導致內部環境成為爆炸性氣體0 區區域[3]。根據設備需求和主要技術指標，出于設備研制的試驗探究目的，確定設備采用48V 免維護鉛酸電池組，由8 塊6V230Ah 免維護鉛酸電池構成。

1.2 產生氫氣原理分析

鉛酸電池工作原理： 工作時的電化學反應可以理解為氧化還原反應，經過電解液的參與，極板上的活性物質分別被氧化還原，釋放出電能；充電時活性物質又恢復到原來的狀態，完成電能的儲存。

（1）放電時：

負極反應：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正極反應：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O

（2）充電時：

負極反應：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

正極反應：PbSO4+2H2O=PbO2+2e-+4H++SO42-

鉛酸電池充電達到60%～100%時， 充電電流部分被用來分解電解液中的水，此時電池正極產生氧氣（O2），負極產生氫氣（H2），氣體會從鉛酸電池中溢出，擴散到周圍空間中。

充電達60%～100%時：

H2O=H++OH-

負極反應：4H++4e-=2H2↑

正極反應：4OH--4e-=2H2O+O2↑

1.3 氫氣爆炸定量分析

氫氣體積濃度達到爆炸條件需不小于爆炸體積濃度下限（4%），且不大于爆炸體積濃度上限（75%）。經查容量為100Ah 的蓄電池， 在單個充電周期內損失約4mL 水，并生成約5L 的氫氣[4]。 已知設備48V 電池組容量為230Ah，防爆箱內設計空間容積為257.4L， 其一個充電周期內所產生的氫氣，按照線性比例理論計算為：

得：充電一次產生氫氣體積濃度在爆炸體積濃度4%～75%范圍內，但未能引發爆炸。 氫氣爆炸的發生還需同時滿足在氫氣體積范圍內有電火花產生或其它可導致爆炸的因素發生。

繼續對設備鉛酸電池進行正常充放電， 在完成第5次正常充電后，正常啟動設備，啟動設備瞬間防爆箱內發出異常巨響。 經分析初步認定為電池電解液中水電解產生易燃易爆氣體（H2），由于電池處于完全密閉的防爆箱內，所產生氣體無法及時排出，當防爆箱內空氣中的含氫量累積至爆炸體積濃度時（4%～75%），遇到電火花發生爆炸導致爆鳴現象發出異常巨響。 以電池防爆箱處產生爆鳴現象為頂事件的故障樹見圖1 所示。以電池防爆箱處產生爆鳴現象為頂事件的故障樹分析，導致的原因可能有以下幾點，分別進行分析排查：

圖1 故障樹Fig.1 Fault Tree

1.3.1 X1 事件：電池爆炸

X11 事件：隔板質量不好或缺損，使極板活性物質穿過，致使正、負極板虛接觸或直接接觸，從而形成爆炸；X11 事件排查：經檢查電池沒有發生故障且均檢測合格，因此， X11 事件可以排除。

X12 事件：排氣孔堵塞，致使蓄電池先爆裂，爆裂引起蓄電池震動，極柱接線不牢出現火花，從而形成爆炸；X12 事件排查：經檢查電池沒有發生故障且均檢測合格，因此， X12 事件可以排除。

X13 事件：電池外部電路短路造成蓄電池過度放電，從而形成爆炸；X13 事件排查：經檢查電池沒有發生故障且均檢測合格，因此， X13 事件可以排除。

X14 事件：電池安裝未固定牢固可靠，受到劇烈震動或外部非正常撞擊， 導致內部短路， 從而形成爆炸；X14事件排查： 經檢查電池沒有發生故障且均檢測合格，因此， X14 事件可以排除。

1.3.2 X2 事件：易燃易爆氣體爆炸

（1） X21 事件：易燃易爆氣體H2 爆炸。

X211 事件：充電器不符合設計要求，充滿電未進行斷電，導致過充使電解液中水被電解產生H2，遇火花導致爆炸；X211 事件排查：經檢查充電器符合設計要求，具有充滿斷電功能，因此， X211 事件可以排除。

X212 事件：充電時間過長，導致過充使電解液中水被電解產生H2，遇火花導致爆炸；X212 事件排查：經核查現場充電時長大于12h，但充電器具有充滿斷電功能，因此， X212 事件可以排除。

X213 事件：正常充電，充電末期，電解液中水被電解產生H2，遇火花導致爆炸；X213 事件排查：經核查電池在充電末期階段，充電達到60%-100%時，會產生易燃易爆氣體H2，在80%時產生氫氣量最大，因此， X213 事件無法排除。

X214 事件：電池質量問題，充放電過程產生H2，遇火花導致爆炸；X214 事件排查： 經檢查電池沒有發生故障且均檢測合格，因此， X214 事件可以排除。

（2）X22 事件：其它易燃易爆氣體爆炸：防爆箱內零部件產生除H2 外的其它易燃易爆氣體，遇火花導致爆炸。

X22 事件排查： 經檢查防爆箱內零部件無法產生其它易燃易爆氣體，因此， X22 事件可以排除。

綜上：認定故障原因為X213 事件（正常充電，充電末期，電解液中水被電解產生H2，遇電火花導致爆炸）。 假設防爆箱完全密閉無氣體溢出， 則正常充電5 次產生氫氣體積濃度為：

得： 充電產生氫氣體積濃度在爆炸體積濃度4%～75%范圍內，同時有電火花產生引起氫氣爆炸。

1.4 防爆箱強度分析

防爆箱內發出異常巨響， 經查設備以及防爆箱未發生明顯外觀損傷， 防爆箱設計等級為Ex d IIB T4 Gb，對防爆箱強度進行分析并以相對薄弱的箱門處進行相關計算。 經查當氫氣在空氣中的濃度分別為爆炸上限和爆炸下限時，其爆炸反應產生的壓力分別為3.46atm 和1.71atm[5]，則防爆箱內氫氣爆炸對單箱門產生的向外推力F 為：

F1=3.46atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=192685.6N

F2=1.71atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=95229.01N

即：F2=95229.01N

而防爆箱安裝螺栓為8.8 級M8 內六角圓柱頭螺栓，其最小拉力載荷為29200N[6]，單箱門安裝螺栓數量為30根，則單防爆箱箱門安裝螺栓最小總拉力℉為：

℉=30×29200N=876000N

得：F

防爆箱箱門材質為Q235 厚度14mm， 抗拉強度：σ1=375N/mm2， 剪切強度：τ=300N/mm2， 安裝孔直徑為φ1=10mm，安裝螺栓圓柱頭直徑φ2=12mm。

得：F

1.5 結論

鉛酸電池充電會產生氫氣， 置于隔爆型防爆箱內使用達爆炸濃度時，遇電火花會產生爆炸。鉛酸電池如需要安裝使用在隔爆型式的防爆電氣設備中， 必須對防爆箱進行改進設計。

2 結束語

防爆箱設置通風孔、排風扇、手動開蓋裝置及氫氣濃度檢測報警裝置，同時電池應與電控系統隔離安裝，杜絕易燃易爆氣體與電火花的接觸。 其中所設計通風孔采取螺紋形式，并在內部對應位置安裝排風扇，充電時擰開螺紋蓋，同時打開排風扇開關，形成空氣流進行通風排氣，保證易燃易爆氣體氫氣及時排出； 充電結束后擰好螺紋蓋，并關閉排風扇開關，以確保防爆箱防爆等級仍滿足設計要求。