A nikkel-hidrogén akkumulátor (NiH 2 vagy Ni-H 2 ) egy reverzibilis kémiai áramforrás , amely nikkel- és hidrogénelektródákból áll [1] . A nikkel-fém-hidrid akkumulátortól abban különbözik, hogy a cellában sűrített állapotban , 82,7 bar nyomáson tárolt hidrogént gáz halmazállapotú formában használnak [2] .
A 26%-os kálium- hidroxidot (KOH) elektrolitként használó NiH 2 cellák 80%-os kisülési mélység mellett legalább 15 éves élettartamot érnek el [3] . Az energiasűrűség 75 W•h / kg , 60 W•h/dm 3 [4] [5] . Az érintkezők feszültsége 1,55 V , a kisülés során az átlagos feszültség 1,25 V [6] .
Annak ellenére, hogy az energiasűrűség csak körülbelül egyharmada a lítium akkumulátorénak , a nikkel-hidrogén akkumulátor sajátos tulajdonsága a hosszú élettartam: a cellák több mint 20 000 kisütési ciklust [7] 85%-os hatásfokkal bírnak.
A NiH 2 akkumulátorok jó elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, így vonzóvá teszik őket elektromos energia tárolására űrjárműveken [8] . Például az ISS [9] , a Messenger [10] , a Mars Odyssey [11] , a Mars Global Surveyor [12] és az MRO nikkel-hidrogén akkumulátorokkal vannak felszerelve. A Hubble teleszkóp , amikor eredeti akkumulátorait 2009 májusában, 19 évvel a felbocsátás után kicserélték, a legtöbb kisütési ciklust érte el az alacsony referenciapályákon lévő NiH 2 akkumulátorok közül [13] .
A nikkel-hidrogén akkumulátorok fejlesztése 1970-ben kezdődött a COMSAT -nál [14] , ahol először 1977-ben használták őket az amerikai haditengerészet NTS-2 műholdjának fedélzetén . [tizenöt]
A nikkel-hidrogén akkumulátor egyesíti a nikkel-kadmium cella pozitív nikkel elektródáját és a negatív elektródát, amely magában foglalja a katalizátort és az üzemanyagcella gázdiffúziós részét . A kisülés során a nyomástartó edényben lévő hidrogén kölcsönhatásba lép a nikkeloxiklorid elektród oxigénjével. A víz a nikkelelektródán fogyasztódik el, a hidrogénelektródán szabadul fel, így az elektrolitban a kálium-hidroxid koncentrációja nem változik. Ahogy az akkumulátor lemerül, a hidrogén nyomása csökken, ami megbízható jelzést ad a kisülési állapotról. Az egyik kommunikációs műhold akkumulátorában a nyomás teljes töltéskor meghaladta (3,4 MPa ), teljesen lemerült állapotban majdnem (0,1 MPa) esett.
Ha a feltöltött akkumulátort tovább töltjük, a nikkelelektródán képződött víz a hidrogénelektródába diffundál és ott disszociál; ennek következtében az akkumulátorok mindaddig ellenállnak a túltöltésnek, amíg a keletkezett hő eloszlik.
Az akkumulátorok hátránya a viszonylag nagy önkisülés, amely arányos a cellában uralkodó hidrogénnyomással; egyes kiviteleknél néhány napos tárolás után a kapacitás 50%-a elveszhet. Az önkisülés a hőmérséklet csökkenésével csökken. [16]
Más akkumulátorokhoz képest a nikkel-hidrogén akkumulátorok jó, 60 Wh/kg energiasűrűséggel és nagyon hosszú élettartammal rendelkeznek a műholdakon. A cellák ellenállnak a túltöltésnek, a véletlen polaritásváltásnak , a cella hidrogénnyomása jól jelzi a kisülés mértékét. A hidrogén gáznemű természete azonban azt jelenti, hogy a térfogati hatásfok meglehetősen alacsony, és a szükséges nagy nyomás miatt drága nyomástartó edényeket kell használni. [16]
A pozitív elektróda szinterezett [17] porózus nikkelkorongból készül, amely nikkel-hidroxidot tartalmaz . A negatív hidrogénelektróda teflonkötésű platina katalizátort használ cirkóniumszál-leválasztóval [18] . [19]
Az egyedi edény (IPV) akkumulátor kialakítása egy NiH 2 cellából és egy nyomástartó edényből áll. [húsz]
A Common Vessel (CPV) akkumulátor kialakítása két sorba kapcsolt NiH 2 cellából és egy közös nyomástartó edényből áll. A CPV valamivel nagyobb energiasűrűséget biztosít, mint az IPV.
Az SPV kialakítás akár 22 cellát is kombinál egy közös edényben.
Bipoláris kialakításban gyakori a kellően vastag elektróda: pozitív az egyik és negatív az SPV szomszédos cellájánál. [21]
A Dependent Vessel (DPV) kialakítás nagyobb energiasűrűséget biztosít alacsonyabb költségek mellett. [22]
A közös/függő edény (C/DPV) kialakítás a CPV és a DPV hibridje, nagy térfogati hatékonysággal. [23]