RU197738U1 - BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY - Google Patents

BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY Download PDF

Info

Publication number
RU197738U1
RU197738U1 RU2020107750U RU2020107750U RU197738U1 RU 197738 U1 RU197738 U1 RU 197738U1 RU 2020107750 U RU2020107750 U RU 2020107750U RU 2020107750 U RU2020107750 U RU 2020107750U RU 197738 U1 RU197738 U1 RU 197738U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plates
battery
membrane
electrodes
teflon
Prior art date
Application number
RU2020107750U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Тигранович Глазков
Дмитрий Владимирович Конев
Павел Андреевич Локтионов
Наталья Витальевна Карташова
Анатолий Евгеньевич Антипов
Михаил Михайлович Петров
Роман Дмитриевич Пичугов
Лилия Захаровна Абунаева
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АДАРМ Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "АДАРМ Технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АДАРМ Технологии"
Priority to RU2020107750U priority Critical patent/RU197738U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU197738U1 publication Critical patent/RU197738U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Заявленная полезная модель батареи мембранно-электродных блоков проточного аккумулятора относится к области возобновляемой энергетики, а именно к проточным редокс-батареям, являющимся разновидностью топливных элементов, для запасания, хранения и воспроизводства электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников. Данное устройство отличается простотой конструкции с заложенной минимизированной величиной шунтирующего тока, высокой устойчивостью к химически агрессивным средам, благодаря подобранным материалам и возможностью работы на различных химических реагентах.Батарея мембранно-электродных блоков проточного аккумулятора, состоящая из концевых титановых пластин, витоновых прокладок, создающих дополнительное уплотнение структуры устройства, тефлоновых пластин со сквозными отверстиями, тефлоновых пластин с гравированными проточными каналами, тефлоновых пластин под мембрану и электроды, токосъемных пластин с вставленными в сквозные отверстия уплотнительными витоновыми кольцами, электродов и протонобменных мембран, в которой проточные поля под электролиты выполнены вне контакта с токосъемными пластинами и расположены внутри двух совмещенных между собой пластин из фторопласта, позволяя, тем самым, работать с высоко химически агрессивными средами. Величина шунтирующих токов сведена к минимуму путем изоляции питающих каналов с электролитом от токосъемных пластин уплотнительными витоновыми кольцами. Токосъемные пластины каждого мембранно-электродного блока имеют выходящие наружу торцы, что позволяет контролировать распределение потенциала по всей батарее. 12 з.п. ф-лы; 11ил.The claimed utility model of a battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery relates to the field of renewable energy, namely, flowing redox batteries, which are a type of fuel cells, for storing, storing and reproducing electricity from renewable sources. This device is simple in design with a minimized value of shunt current, high resistance to chemically aggressive environments, thanks to the selected materials and the ability to work on various chemical reagents. device structures, Teflon plates with through holes, Teflon plates with engraved flow channels, Teflon plates for membranes and electrodes, slip rings with Viton rings, electrodes and proton exchange membranes in which flow fields for electrolytes are made out of contact with slip rings plates and are located inside two combined plates of fluoroplastic, allowing, thus, to work with highly chemically aggressive environments. The magnitude of the shunt currents is minimized by isolating the supply channels with electrolyte from the collector plates with Viton sealing rings. Current collector plates of each membrane-electrode block have ends that extend outward, which makes it possible to control the distribution of potential throughout the battery. 12 s.p. f-ly; 11il.

Description

Область техникиTechnical field

Заявленная полезная модель относится к области возобновляемой энергетики, а именно к проточным редокс-батареям, являющиеся разновидностью топливных элементов, для запасания, хранения и воспроизводства электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников. Данное устройство отличается простотой конструкции с заложенной минимизированной величиной шунтирующего тока, высокой устойчивостью к химически агрессивным средам, благодаря подобранным материалам и возможностью работы на различных химических реагентах.The claimed utility model relates to the field of renewable energy, namely to flow redox batteries, which are a type of fuel cell for storing, storing and reproducing electricity from renewable sources. This device is simple in design with a minimized value of the shunt current, high resistance to chemically aggressive environments, thanks to the selected materials and the ability to work on various chemical reagents.

Аккумулирование электроэнергии, получаемой путем преобразования энергии света, воды и ветра, является одним из ключевых положений в области возобновляемой энергетики и требует применения специальных устройств - проточных редокс-батарей, отличающихся от литий-ионных аккумуляторов принципом работы и устройством. Данные устройства позволяют накапливать энергию самых различных объемов, чем рекомендуют себя в самых различных областях применения. Актуальным является разработка универсальной конструкции проточной редокс-батареи, материалы которой обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам. Заявленное устройство обладает возможностью работы на различных химически агрессивных реагентах.The accumulation of electricity obtained by converting the energy of light, water and wind is one of the key provisions in the field of renewable energy and requires the use of special devices - flowing redox batteries, which differ from lithium-ion batteries in the principle of operation and device. These devices allow you to accumulate energy of a wide variety of volumes than they recommend themselves in a wide variety of applications. It is relevant to develop a universal design of a flow redox battery, the materials of which are highly resistant to aggressive environments. The claimed device has the ability to work on various chemically aggressive reagents.

Уровень техникиState of the art

Известна система ячеек, мембранно-электродных блоков (МЭБ), образующих в совокупности гибридный проточный редокс-аккумулятор, работающий на металлических (Fe2+/Fe3+) редокс-парах, с размещенным определенным образом сквозь всю конструкцию множеством проточных питающих систему ячеек электролитом каналов [US 9614244 B2, 2013]. Конструкция данного устройства позволяет использовать в качестве электродов пластины из углеродного материала в форме сложенных ребер, которые, в свою очередь, могут обладать перфорацией. Ступенчатая система проточных каналов под электролит способствует минимизации величины шунтирующего тока. Недостатком такого гибридного проточного редокс-аккумулятора является многочисленность входных и выходных отверстий на концевых пластинах, что делает конструкцию громоздкой и увеличивает количество мест, где велика вероятность протечки.A well-known system of cells, membrane-electrode blocks (OIE), which together form a hybrid flow redox battery operating on metal (Fe 2+ / Fe 3+ ) redox pairs, with a plurality of flow-through electrolyte supplying the cell system through a whole structure placed in a certain way channels [US 9614244 B2, 2013]. The design of this device allows the use of plates of carbon material in the form of folded ribs as electrodes, which, in turn, may have perforation. A step-by-step system of flow channels for the electrolyte minimizes the magnitude of the shunt current. The disadvantage of such a hybrid flow redox battery is the large number of inlet and outlet openings on the end plates, which makes the structure cumbersome and increases the number of places where there is a high probability of leakage.

Известна проточная металл-галогенная батарея [US 8137831 В1, 2011], основными функциональными частями которой являются две полуячейки, каждая из которых содержит по два электрода и реакционную зону между ними. Данное устройство приспособлено для работы на металл-галогенных редокс-парах. Данный тип электрохимической системы работает следующим образом: галогеновый компонент восстанавливается на положительно заряженном электрод, а металл подвергается окислению на отрицательно заряженном электроде. Водный раствор способствует пополнению галоген-частиц у поверхности электрода. Одной из подходящих систем является цинк-хлорная проточная батарея, где в качестве галогена используется хлор, а в качестве металла - цинк. Недостатком такой конструкции является узкий диапазон возможных к применению электрохимических систем, а так же существенная разница конструкции полуячеек, так как при увеличении их количества, что позволит увеличить мощность батареи, неизбежно появление несогласований между функциональными единицами каждой полуячейки при сборке.Known flowing metal-halogen battery [US 8137831 B1, 2011], the main functional parts of which are two half cells, each of which contains two electrodes and a reaction zone between them. This device is designed to work on metal-halogen redox pairs. This type of electrochemical system works as follows: the halogen component is reduced on a positively charged electrode, and the metal undergoes oxidation on a negatively charged electrode. An aqueous solution contributes to the replenishment of halogen particles at the surface of the electrode. One suitable system is a zinc-chlorine flow battery, where chlorine is used as halogen and zinc is used as metal. The disadvantage of this design is the narrow range of electrochemical systems that can be used, as well as a significant difference in the design of half cells, since with an increase in their number, which will increase battery power, there will inevitably appear inconsistencies between the functional units of each half cell during assembly.

Известна конструкция ячейки и набора таких ячеек, образующих батарею с окислительно-восстановительным потоком, а так же способ ее получения [WO 2017174053 А1, 2017]. Данная конструкция имеет по меньшей мере два каркасных элемента каждой ячейки, два электрода и мембрану между ними, дублирующиеся необходимое количество раз. При чем, два каркасных элемента каждой полуячейки снабжены четырьмя каналами, так, что по внутренним частям полуячеек могут протекать растворы двух электролитов без возможности смешивания, так как данный структурный элемент выполнен герметично. Недостатком такой конструкции является отсутствие возможности проверки разницы потенциалов между каждой ячейкой, являющейся функциональной единицей всей батареи с окислительно-восстановительным потоком, что может привести к дисбалансу распределения потенциала и выходу из строя электродного материала.A known design of a cell and a set of such cells forming a battery with a redox stream, as well as a method for producing it [WO 2017174053 A1, 2017]. This design has at least two frame elements of each cell, two electrodes and a membrane between them, duplicated as many times as necessary. Moreover, two frame elements of each half-cell are equipped with four channels, so that solutions of two electrolytes can flow along the internal parts of the half-cells without the possibility of mixing, since this structural element is hermetically sealed. The disadvantage of this design is the inability to check the potential difference between each cell, which is a functional unit of the entire battery with a redox stream, which can lead to an imbalance in the potential distribution and failure of the electrode material.

Актуальной задачей является создание батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора с возможностью работы на различных по своей природе электрохимических системах (редокс-парах), минимально возможной величиной шунтирующего тока, а так же в условиях их высокой химической агрессивности с возможностью контроля распределения потенциала относительно каждого МЭБ, входящего в состав заявленной полезной модели батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора.An urgent task is to create a battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery with the ability to work on electrochemical systems of various nature (redox pairs), the minimum possible value of the shunt current, and also in conditions of their high chemical aggressiveness with the ability to control the distribution of potential relative to each OIE , which is part of the claimed utility model of the battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery.

Наиболее близким к заявленному решению является высокопроизводительная проточная редокс-батарея, обладающая опорным каркасным элементом и монолитной биполярной пластиной, встроенной в каркасный элемент. Биполярная пластина содержит множество проточных каналов на каждой ее стороне. Каркасный элемент содержит два питающих канала с одной стороны и два с другой стороны, отводящих прореагировавший электролит. Специфика распределения системы более тонких каналов змеевидного типа, отходящих от питающих и заборных каналов, состоит в том, что они попарно совмещены друг напротив друга. Такое расположение проточных каналов позволяет минимизировать омические потери и снизить внутреннее сопротивление всей батареи в целом, а так же, тем самым, подобрана оптимальная схема использования полезной поверхности биполярных пластин, изготовленных из винилового эфира, модифицированного графитом. Каркасный элемент изготовлен из винилового эфира, модифицированного стекловолокном. Использование перечисленных материалов в качестве конструкционных позволяет работать на высоко агрессивных средах и в значительном температурном диапазоне без изменения природы электрохимических реагентов, применяемых в электролитах. Недостатком данного устройства является использование трудоемких в обработке материалов, требующее специального оборудования, что влечет за собой большое количество отходов. Кроме того, расположение каналов, хоть и дает возможность достигать достаточно высоких разрядных характеристик без разрушения материалов электродов и биполярных пластин, но, в процессе длительной работы приведет к протечке по причине близкого расположения к краю пластин, в которых они проведены. Монолитность батареи не оставляет возможности следить за распределением потенциала относительно каждой ячейки в батарее, сколько бы их не было. Даже отработанная технология изготовления прототипа и его тестирование в различных условиях в течение длительного времени не дает гарантии, что потенциал будет стационарен, а это требование является одним из ключевых в работе проточных редокс-батарей.Closest to the claimed solution is a high-performance flowing redox battery with a supporting frame element and a monolithic bipolar plate built into the frame element. A bipolar plate contains many flow channels on each side of it. The frame element contains two feed channels on the one hand and two on the other hand, discharging the reacted electrolyte. The specifics of the distribution of the system of thinner serpentine-type channels extending from the supply and intake channels is that they are pairwise aligned opposite each other. This arrangement of the flow channels allows one to minimize ohmic losses and reduce the internal resistance of the entire battery as a whole, as well as thereby optimizing the use of the useful surface of bipolar plates made of graphite-modified vinyl ether. The frame element is made of fiberglass modified vinyl ester. The use of these materials as structural materials allows you to work on highly aggressive environments and in a significant temperature range without changing the nature of the electrochemical reagents used in electrolytes. The disadvantage of this device is the use of labor-intensive materials in processing, requiring special equipment, which entails a large amount of waste. In addition, the location of the channels, although it makes it possible to achieve sufficiently high discharge characteristics without destroying the materials of the electrodes and bipolar plates, but during prolonged operation will lead to leakage due to the close proximity to the edge of the plates in which they are held. The solidity of the battery does not leave it possible to monitor the distribution of potential relative to each cell in the battery, no matter how many there are. Even the proven prototype manufacturing technology and its testing under various conditions for a long time does not guarantee that the potential will be stationary, and this requirement is one of the key in running redox batteries.

Раскрытие сущностиDisclosure of Entity

Технической проблемой заявленной полезной модели является создание батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора, конструктивные элементы которой способны работать в контакте с высоко химически агрессивными средами различной природы, а так же обеспечение возможности контроля величины потенциала на каждом мембранно-электродном блоке, входящим в состав батареи.The technical problem of the claimed utility model is the creation of a battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery, the structural elements of which are able to work in contact with highly chemically aggressive media of various nature, as well as providing the ability to control the magnitude of the potential on each membrane-electrode block included in the battery.

Техническим результатом, достигаемым заявленной полезной моделью, является создание батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора, в которой проточные поля под электролиты выполнены вне контакта с токосъемными пластинами и расположены внутри двух совмещенных между собой пластин из фторопласта, позволяя, тем самым, работать с высоко химически агрессивными средами. Величина шунтирующих токов сведена к минимуму путем изоляции питающих каналов с электролитом от токосъемных пластин уплотнительными витоновыми кольцами. Токосъемные пластины каждого мембранно-электродного блока имеют выходящие наружу торцы с медными контактами, что позволяет контролировать распределение потенциала по всей батарее.The technical result achieved by the claimed utility model is the creation of a battery of membrane-electrode blocks of a flow accumulator, in which flow fields for electrolytes are made out of contact with current collector plates and are located inside two combined plates of fluoroplastic, thereby allowing working with highly chemically aggressive environments. The value of the shunt currents is minimized by isolating the supply channels with electrolyte from the collector plates with Viton sealing rings. Current collector plates of each membrane-electrode block have ends facing out with copper contacts, which allows you to control the potential distribution throughout the battery.

Технический результат достигается следующим образом. Всего в составе заявленной полезной модели батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора находится 10 ячеек - 10 МЭБ. Ввод питающих каналов производится с двух сторон (по одному входному и выходному каналу на каждую сторону) таким образом, что каждый МЭБ запитывается электролитом параллельно. Изначально на обоих концах батареи располагаются витоновые прокладки для улучшения герметичности всей конструкции, затем тефлоновые пластины со сквозными отверстиями для перемещения входных и выходных питающих каналов от того места, где они располагаются на концевых пластинах, в место запитывания всей батареи мембранно-электродных блоков, согласно разработанной конструкции. Невозможность изначального расположения входных и выходных отверстий на концевых пластинах в нужном месте объясняется нагромождением конструкции снаружи. Питающие каналы извилистой формы выполнены в тефлоновых пластинах толщиной 1 мм путем гравировки углекислотным лазером. Материал тефлон выбран, как подходящий с точки зрения устойчивости к высоко химически агрессивным средам, которые чаще всего применяются в качестве компонентов электролита и как податливый к обработке. Каналы гравируются в двух пластинах глубиной в 0,8 мм с зеркальным отражением друг относительно друга по вертикальной оси, тем самым, при наложении друг на друга, образуя единую пластину, со спрятанным внутри, единым проточным каналом под каждый их двух электролитов. Длина и толщина каналов просчитана заранее, и к реализации предложено оптимальное соотношение этих величин, позволяющее свести величину шунтирующих токов к минимуму. Скрепление пластин производится путем нанесения на лицевую сторону каждой из пластин клеевого раствора (10% p-p парафилма в хлороформе х.ч.) термопрессования при температуре 180°С и давлением в 20-50 кг на протяжении 5 минут. Каждая такая склеенная пластина имеет по 2 проточных канала под один электролит и два под другой, попарно попадая в электродное пространство через сквозные отверстия, находящиеся на концах проточных каналов в центре пластины. Токосъемные (графлексовые) пластины изготовлены из терморасширенного графита (далее по тексту - графлекс), изготовление которых производилось по такому же методу, как и тефлоновых, но с увеличенным давлением при прессовании до 6000 кг. В графлексовую пластину внедрялся медный контакт с хвостом, который, в последующем, скреплялся с контактом следующей токосъемной графлексовой пластины, образуя биполярную единую пластину. Питающие каналы, проходящие батарею насквозь, изолированы от биполярных графлексовых пластин путем вставки уплотнительных колец из витона, что также способствует уменьшению величины шунтирующего тока до своего минимального значения и повышает срок службы проточного аккумулятора. В конструкции в качестве протонобменной мембраны применяется мембрана толщиной около 75 мкн, а в качестве электродного материала - сеграсет. Исполнение тефлоновых и графлексовых токосъемных пластин в едином форм-факторе позволяет контролировать распределение потенциала на каждый МЭБ предложенной полезной модели батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора.The technical result is achieved as follows. In total, the claimed utility model of the battery of the membrane-electrode blocks of the flowing battery contains 10 cells - 10 OIE. Input of the supply channels is carried out from two sides (one input and output channel on each side) in such a way that each OIE is powered by an electrolyte in parallel. Initially, Viton gaskets are located at both ends of the battery to improve the tightness of the entire structure, then Teflon plates with through holes for moving the input and output feed channels from where they are located on the end plates to the place of feeding the entire battery of membrane-electrode blocks, according to the developed designs. The impossibility of the initial location of the inlet and outlet openings on the end plates in the right place is due to the piling of the structure from the outside. The sinuous-shaped feed channels are made in Teflon plates 1 mm thick by engraving with a carbon dioxide laser. The material Teflon is selected as suitable from the point of view of resistance to highly chemically aggressive environments, which are most often used as electrolyte components and as malleable to processing. The channels are engraved in two plates with a depth of 0.8 mm with a mirror reflection relative to each other along the vertical axis, thereby, when superimposed on each other, forming a single plate, hidden inside, with a single flow channel for each of two electrolytes. The length and thickness of the channels were calculated in advance, and an optimal ratio of these values was proposed for implementation, which allows minimizing the value of shunt currents. The plates are fastened by applying a glue solution (10% p-p parafilm in chloroform ch.ch.) to the front side of each plate at a temperature of 180 ° C and a pressure of 20-50 kg for 5 minutes. Each such glued plate has 2 flow channels for one electrolyte and two for the other, pairwise falling into the electrode space through the through holes located at the ends of the flow channels in the center of the plate. Current collection (graphlex) plates are made of thermally expanded graphite (hereinafter referred to as graphlex), the manufacture of which was carried out by the same method as Teflon, but with an increased pressure during pressing up to 6000 kg. A copper contact with the tail was introduced into the graphlex plate, which, subsequently, was fastened to the contact of the next current collector graphlex plate, forming a bipolar single plate. The supply channels passing through the battery are isolated from bipolar graphlex plates by inserting o-rings from Viton, which also helps to reduce the shunt current to its minimum value and increases the service life of the flow battery. In the design, a membrane with a thickness of about 75 microns is used as a proton exchange membrane, and segraset is used as the electrode material. The execution of Teflon and graphlex current collection plates in a single form factor allows you to control the distribution of potential for each OIE of the proposed utility model of the battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображены основные структурные элементы заявленной полезной модели в их хронологической последовательности при сборке, а на фиг. 2 - заявленная полезная модель батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора в собранном виде. Фиг. 3-9 отображают более подробно часть структурных элементов, а именно: витоновую прокладку (6), тефлоновую пластину (7) и (8), тефлоновые пластины (9) и (10) с проточными каналами, нанесенными методом гравировки, а так же тефлоновые пластины (14) и (17) под протонобменную мембрану и электроды.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the main structural elements of the claimed utility model in their chronological sequence during assembly, and in FIG. 2 - the claimed utility model of the battery of the membrane-electrode blocks of the flowing battery in assembled form. FIG. 3-9 show in more detail a part of the structural elements, namely: a Viton gasket (6), a Teflon plate (7) and (8), Teflon plates (9) and (10) with flow channels applied by engraving, as well as Teflon plates (14) and (17) under the proton exchange membrane and electrodes.

Фиг. 10 - график зависимости среднего напряжения на батарее в ходе заряда/разряда от времени для состава 1 М V 4 М H2SO4. Скорость подачи электролитов 100 мл/мин. Ток при заряде/разряде 600 мА.FIG. 10 is a graph of the average voltage across the battery during charge / discharge versus time for a composition of 1 M V 4 M H2SO4. The feed rate of electrolytes is 100 ml / min. Current at charge / discharge 600 mA.

Фиг. 11 - график, отображающий фарадеевскую, вольтаическую и энергетическую эффективности батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора в зависимости от цикла разряда/заряда для состава 1М V 4 М H2SO4 в относительных единицах. Скорость подачи электролитов 100 мл/мин. Ток при заряде/разряде 600 мА.FIG. 11 is a graph depicting the Faraday, voltaic, and energy efficiency of a battery of memrane-electrode blocks of a flowing battery depending on the discharge / charge cycle for a composition of 1 M V 4 M H2SO4 in relative units. The feed rate of electrolytes is 100 ml / min. Current at charge / discharge 600 mA.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Ниже представлено более подробное описание заявляемой полезной модели батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора, не ограничивающее ее сущность, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность реализации назначения с достижением заявленного технического результата.Below is a more detailed description of the claimed utility model of the battery of memrane-electrode blocks of a flowing battery, not limiting its essence, presented in an independent claim, but only demonstrating the possibility of realizing the purpose with achieving the claimed technical result.

Заявляемая полезная модель батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора может работать на большинстве известных электрохимических системах, входящих в состав электролита, обладая достаточно высокой устойчивостью к агрессивным средам и минимально возможной величиной шунтирующих токов.The inventive utility model of the battery of memrane-electrode blocks of a flowing battery can work on most well-known electrochemical systems that make up the electrolyte, having a sufficiently high resistance to aggressive environments and the lowest possible value of shunt currents.

Предлагаемая полезная модель состоит из концевых пластин (1) и (19), имеющих восемь сквозных отверстий (21) в которые вставляются втулки (4) и винты (3) концом с резьбой вверх. Далее все структурные элементы обладают теми же восемью отверстиями (21), при помощи которых насаживаются поочередно на восемь винтов (3). В концевые пластины в отверстия (22) впрессованы компрессионные фитинги (5) резьбой наружу, на которые в конце сборки накручиваются колпаки (2). Витоновая прокладка (6) имеет два возвышения (34), при помощи которых при стяжке происходит дополнительное уплотнение питающих каналов у входа и выхода из устройства, а так же два сквозных отверстия (35). Тефлоновая пластина (7) обладает сквозными отверстиями (23), а пластина (8) сквозными отверстиями (24). На пластине (9), выполненной из того же материала тефлон, нанесены методом гравирования проточные каналы (25) по четыре штуки, запитывающиеся от питающих каналов через сквозное отверстие (26). Так же на пластине (9) имеются два сквозных отверстия (27), через которые электролит циркулирует в электродном пространстве. (28), является несквозным углублением и смыкается с таким же отверстием (27) на пластине (10) (при наложении друг на друга), полностью повторяющей тефлоновую пластину (9), за исключением того, что (27) и (28) меняются местами. Токосъемная пластина (12) снабжена медным контактом (31) для замыкания с последующей и образования биполярной пластины. (12), так же имеет два сквозных отверстия (30) и четыре сквозных отверстия (29), в которые вставляются витоновые уплотнительные кольца (13). Токосъемная пластина (18) полностью повторяет геометрию и форму токосъемной пластины (12), за исключением того, что сквозные отверстия (30) смещены на 90 градусов по часовой стрелке, а также медный контакт (31) находится с противоположной стороны. Тефлоновая пластина (14) обладает углублением квадратной формы для укладки протонобменной мембраны, глубиной в половину ее сечения, а также четырьмя сквозными отверстиями (32). Кроме того, на тефлоновую пластину (14) нанесена гравировка проточных каналов (33), через которые электролит попадает непосредственно в электродное пространство, образуемое полостью (34). Тефлоновая пластина (17) полностью повторяет (14), за исключением того, что гравированные проточные каналы повернуты на 90 градусов по часовой стрелке по горизонтали и на 180 градусов по вертикали. Далее в полость (34) вкладываются по четыре электрода (15). Сверху кладется протонобменная мембрана (16). На фиг. 1 большой квадратной скобкой выделена область, соответствующая одному МЭБ в заявленной батарее. В предложенной конструкции всего десять таких повторяющих друг друга МЭБ. После того, как собран последний их них, вновь на винты (3) насаживаются тефлоновые пластины (8) и (7), затем витоновая прокладка (6) и завершает сборку концевая пластина (19), отличающаяся от концевой пластины (1) диаметром сквозных отверстий (21).The proposed utility model consists of end plates (1) and (19) having eight through holes (21) into which bushings (4) and screws (3) are inserted with their threaded end up. Further, all structural elements have the same eight holes (21), with the help of which they are mounted alternately on eight screws (3). Compression fittings (5) are threaded outwards into the end plates into the holes (22), on which caps (2) are screwed onto the end of the assembly. The Viton gasket (6) has two elevations (34), with which, when tightening, an additional sealing of the supply channels at the inlet and outlet of the device, as well as two through holes (35), occurs. The Teflon plate (7) has through holes (23), and the plate (8) has through holes (24). On the plate (9) made of the same Teflon material, four channels are flowed through the engraving method (25), fed from the supply channels through the through hole (26). Also on the plate (9) there are two through holes (27) through which the electrolyte circulates in the electrode space. (28), is a through hole and closes with the same hole (27) on the plate (10) (when superimposed), completely repeating the Teflon plate (9), except that (27) and (28) change in places. The collector plate (12) is equipped with a copper contact (31) for closing with subsequent formation of a bipolar plate. (12) also has two through holes (30) and four through holes (29) into which Viton O-rings (13) are inserted. The collector plate (18) completely repeats the geometry and shape of the collector plate (12), except that the through holes (30) are shifted 90 degrees clockwise, as well as the copper contact (31) is on the opposite side. The Teflon plate (14) has a square recess for laying the proton exchange membrane, a depth of half its cross section, and also four through holes (32). In addition, an engraving of the flow channels (33) is applied to the Teflon plate (14), through which the electrolyte enters directly into the electrode space formed by the cavity (34). The Teflon plate (17) completely repeats (14), except that the engraved flow channels are rotated 90 degrees clockwise horizontally and 180 degrees vertically. Next, four electrodes (15) are inserted into the cavity (34). A proton exchange membrane (16) is placed on top. In FIG. 1 a large square bracket indicates the area corresponding to one OIE in the claimed battery. In the proposed design there are only ten such OIE repeating each other. After the last one is assembled, the Teflon plates (8) and (7) are reinserted onto the screws (3), then the Viton gasket (6) and the end plate (19), which differs from the end plate (1) with a through diameter, completes the assembly holes (21).

В зависимости от типа используемого электролита, атмосферных условий и различного рода требований к проточным редокс-батареям и подобным этой системам, возможно использование материалов концевой пластины, электродов, пластин с гравированными проточными каналами и прокладок с меньшей химической стойкостью с целью удешевления конструкции: для концевой пластины - дюралюминий вместо титана, для пластин с гравированными проточными каналами - эбонита, копролона, полипропилена и т.п., для электродов - графитовая фольга, углеродная ткань и т.п.Depending on the type of electrolyte used, atmospheric conditions and various requirements for flow redox batteries and similar systems, it is possible to use end plate materials, electrodes, plates with engraved flow channels and gaskets with lower chemical resistance in order to reduce the cost of construction: for the end plate - duralumin instead of titanium, for plates with engraved flow channels - ebonite, coprolon, polypropylene, etc., for electrodes - graphite foil, carbon fabric, etc.

Конструкция батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения настоящего описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться габаритные размеры всех структурных элементов при условии, что расположенные внутри каналы и отверстия останутся на своих местах, диаметр винтов, при помощи которых происходит стяжка всей конструкции, их количество, и т.д.The design of the battery of the membrane-electrode blocks of the flowing battery may undergo various changes and modifications understood by one skilled in the art upon reading the present description. Such changes do not limit the scope of claims. For example, the overall dimensions of all structural elements can change, provided that the channels and holes located inside remain in their places, the diameter of the screws by means of which the entire structure is screed, their number, etc.

Перед проведением испытательных измерений батарею собирают по схеме, изображенной на фиг. 1. В собранном состоянии конструкция изображена на фиг. 2. При этом протонобменную мембрану (16) заранее выдерживают в дистиллированной воде в течение 10 минут. В концевую пластину (1) вставляют 8 втулок (4), а в них 8 болтов (3). Затем поочередно надевают витоновую прокладку (6), тефлоновые пластины (7) и (8). Пластины (9) и (10) располагают проточными гравированными каналами (25) друг напротив друга. Следующие структурные элементы составляют один МЭБ (выделены квадратными скобками на фиг. 1): токосъемная пластина (12), в сквозные отверстия (29) которой вставляются 4 витоновых уплотнительных кольца (13); тефлоновая пластина (14), в которую вкладываются 4 электрода (15) и протонобменная мембрана (16); тефлоновая пластина (17), в которую так же вставляются 4 электрода (15), токосъемная пластина (18) со вставленными четырьмя витоновыми уплотнительными кольцами (13) и две тефлоновых пластины (9) и (10) с расположенными друг напротив друга проточными гравированными каналами (25). Повтор перечисленных действий еще 9 раз позволяет добиться изображения на фиг. 2, на котором представлена батарея мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора в собранном виде. По завершению дублирования деталей, вновь надеваются тефлоновые пластины (8) и (7), а также витоновая прокладка (6). Заканчивается сборка концевой пластиной (19). Вся конструкция зажимается сверху гайками за винты (3).Before carrying out test measurements, the battery is assembled according to the circuit depicted in FIG. 1. In the assembled state, the structure is shown in FIG. 2. At the same time, the proton exchange membrane (16) is preliminarily kept in distilled water for 10 minutes. 8 bushings (4) are inserted into the end plate (1), and 8 bolts (3) are inserted into them. Then, the viton gasket (6), the Teflon plates (7) and (8) are alternately put on. The plates (9) and (10) have flowing engraved channels (25) opposite each other. The following structural elements comprise one OIE (highlighted by square brackets in Fig. 1): current collector plate (12), through which 4 Viton O-rings (13) are inserted through holes (29); a teflon plate (14) into which 4 electrodes (15) and a proton exchange membrane (16) are inserted; a teflon plate (17), into which 4 electrodes (15) are also inserted, a current collection plate (18) with four Viton O-rings inserted (13) and two Teflon plates (9) and (10) with flowing engraved channels located opposite each other (25). Repeating these steps 9 more times allows achieving the image in FIG. 2, which shows the battery of membrane-electrode blocks of the flowing battery in assembled form. Upon completion of the duplication of parts, the Teflon plates (8) and (7), as well as the Viton gasket (6), are put on again. The assembly ends with the end plate (19). The whole structure is clamped on top with nuts for the screws (3).

Перед проведением измерений к собранной батарее подсоединяют шланги из политетрафторэтилена, как наиболее устойчивого к агрессивным средам материала, при помощи колпака (2), накручивающегося на компрессионный фитинг (5). Подключают электрохимическое оборудование (потенциостат-гальваностат) к концевым клеммам батареи.Before taking measurements, hoses made of polytetrafluoroethylene, as the most resistant to aggressive media material, are connected to the assembled battery using a cap (2) screwed onto a compression fitting (5). Connect the electrochemical equipment (potentiostat-galvanostat) to the end terminals of the battery.

Для демонстрации работы была изготовлена батарея мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора и проведены измерения циклического заряд/разряда в количестве 50 циклов на растворе электролита состава 1 М p-p сульфата ванадила в 4 М серной кислоте.To demonstrate the operation, a battery of mem- brane-electrode blocks of a flowing accumulator was manufactured and cyclic charge / discharge measurements of 50 cycles were performed on an electrolyte solution of 1 M p-p vanadyl sulfate in 4 M sulfuric acid.

Эксперимент заключался в проверке работоспособности батареи при среднем уровне нагрузки на устройство. Измерения велись в гальваностатическом режиме с наложением тока в 600 мА переменного знака и граничными условиями по потенциалам в 16 В по заряженному состоянию батареи и в 8 В по разряженному. Данные условия эксперимента полностью соответствуют рабочему режиму проточных редокс-батарей.The experiment was to test the battery performance at an average level of load on the device. The measurements were carried out in the galvanostatic mode with a superimposed current of 600 mA of alternating sign and boundary conditions for potentials of 16 V for the charged state of the battery and 8 V for discharged. These experimental conditions are fully consistent with the operating mode of flowing redox batteries.

На фиг. 10 предложен график, описывающий поведение батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора в рабочем режиме. Исходя из данных приведенных на фиг. 11, можно сделать вывод о том, что на протяжении 18000 секунд устройство проработало без какого-либо ухудшения своих характеристик. Энергетическая эффективность находится в диапазоне 75-78%, вольтаическая - 65-75%, а фарадеевская 88-95%. Совокупность значений, приведенных на фиг. 10 и 11, иллюстрирует работоспособность системы близкой к предельно возможной.In FIG. 10 is a graph describing the behavior of a battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery in operating mode. Based on the data shown in FIG. 11, we can conclude that for 18000 seconds the device worked without any deterioration in its performance. Energy efficiency is in the range of 75-78%, voltaic - 65-75%, and Faraday 88-95%. The set of values shown in FIG. 10 and 11, illustrates the performance of the system close to the maximum possible.

Таким образом, испытания батареи мемранно-электродных блоков проточного аккумулятора показали, что величина шунтирующих токов сведена к минимуму, так как, в противном случае, совокупность всех эффективностей была бы на 20-30% ниже по своим значениям. Положение графика на фиг. 10 доказывает работоспособность батареи в контакте с высоко химически агрессивной средой. Химическое воздействие иных редокс-пар будет на таком же или менее высоком уровне, а значит возможность работы на различных по своей природе электрохимических системах (редокс-парах) подтверждена. Проводился контроль распределения потенциала между каждым мембранно-электродным блоком, входящим в состав тестируемой батареи. Разница между каждым из них колеблется в 100-200 мВ, что является нормой для систем аккумулирования энергии данного типа.Thus, tests of the battery of memrane-electrode blocks of a flowing accumulator showed that the value of shunt currents is minimized, since, otherwise, the combination of all efficiencies would be 20-30% lower in their values. The position of the graph in FIG. 10 proves battery performance in contact with highly chemically aggressive environments. The chemical effect of other redox pairs will be at the same or less high level, which means that the ability to work on electrochemical systems of various nature (redox pairs) is confirmed. The potential distribution between each membrane-electrode block included in the test battery was monitored. The difference between each of them ranges from 100-200 mV, which is the norm for energy storage systems of this type.

Claims (13)

1. Батарея мембранно-электродных блоков проточного аккумулятора, состоящая из концевых титановых пластин, витоновых прокладок, создающих дополнительное уплотнение структуры устройства, тефлоновых пластин со сквозными отверстиями, тефлоновых пластин с гравированными проточными каналами, тефлоновых пластин под мембрану и электроды, токосъемных пластин с вставленными в сквозные отверстия уплотнительными витоновыми кольцами, электродов и протонобменных мембран, отличающаяся тем, что витоновые прокладки имеют выступы при сквозных отверстиях, что создает дополнительное уплотнение и герметизирует область протока электролита, пластины под мембрану и электроды имеют паз под электроды и проточные каналы меньшего сечения, чем в пластинах с гравированными проточными каналами, что приводит к повышенному перепаду давления и равномерному протоку электролита в электродном пространстве, задействуя всю поверхность электродного материала.1. The battery of membrane-electrode blocks of a flowing battery, consisting of end titanium plates, viton gaskets, creating an additional seal of the device structure, Teflon plates with through holes, Teflon plates with engraved flow channels, Teflon plates for the membrane and electrodes, collector plates with inserted through holes with Viton sealing rings, electrodes and proton exchange membranes, characterized in that the Viton gaskets have protrusions at the through holes, which creates an additional seal and seals the area of the electrolyte duct, plates for the membrane and electrodes have a groove for electrodes and flow channels of a smaller section than in plates with engraved flow channels, which leads to an increased pressure drop and a uniform flow of electrolyte in the electrode space, using the entire surface of the electrode material. 2. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что пластины с гравированными проточными каналами выполнены из высоко химически инертных материалов.2. The battery according to claim 1, characterized in that the plates with engraved flow channels are made of highly chemically inert materials. 3. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что пластины под мембрану и электроды выполнены из высоко химически инертных материалов.3. The battery according to claim 1, characterized in that the membrane plates and electrodes are made of highly chemically inert materials. 4. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что все структурные элементы выполнены в квадратном едином форм-факторе с вынесенными за основное поле отверстиями под стяжку.4. The battery according to claim 1, characterized in that all the structural elements are made in a square single form factor with holes for the screed removed from the main field. 5. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что токосъемные пластины выполнены из терморасширенного графита и обладают выступающими медными контактами, предназначенными для создания биполярной пластины, и позволяющие контролировать распределение потенциала на каждом мембранно-электродном блоке.5. The battery according to claim 1, characterized in that the collector plates are made of thermally expanded graphite and have protruding copper contacts designed to create a bipolar plate, and allowing to control the potential distribution on each membrane-electrode block. 6. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что сквозные отверстия в токосъемных пластинах изолированы от питающего канала витоновыми уплотнительными кольцами.6. The battery according to claim 1, characterized in that the through holes in the collector plates are isolated from the supply channel by Viton O-rings. 7. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что тефлоновые пластины с гравированными проточными каналами герметично крепятся друг к другу 10% раствором парафилма в хлороформе х.ч.7. The battery according to claim 1, characterized in that the Teflon plates with engraved flow channels are hermetically attached to each other with a 10% paraphilic solution in chloroform chemically pure 8. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что тефлоновые пластины под мембрану и электроды герметично крепятся друг к другу 10% раствором парафилма в хлороформе х.ч.8. The battery under item 1, characterized in that the Teflon plates under the membrane and electrodes are hermetically attached to each other with a 10% solution of paraphilic in chloroform reagent grade 9. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что конструкция предполагает сколько угодное увеличение ее мощности путем дублирования состава частей, составляющих единичный мембранно-электродный блок.9. The battery according to claim 1, characterized in that the design assumes how much a suitable increase in its power by duplicating the composition of the parts making up a single membrane-electrode block. 10. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что подобранная длина проточных каналов определяет минимальную величину шунтирующих токов.10. The battery under item 1, characterized in that the selected length of the flow channels determines the minimum value of the shunt currents. 11. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что толщина токосъемных пластин составляет 0,8 мм.11. The battery under item 1, characterized in that the thickness of the collector plates is 0.8 mm 12. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что толщина тефлоновых пластин с гравированными проточными каналами составляет 1 мм.12. The battery under item 1, characterized in that the thickness of the Teflon plates with engraved flow channels is 1 mm. 13. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что толщина тефлоновых пластин под мембрану и электроды составляет 1 мм.13. The battery according to claim 1, characterized in that the thickness of the Teflon plates for the membrane and electrodes is 1 mm.
RU2020107750U 2020-02-20 2020-02-20 BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY RU197738U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107750U RU197738U1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107750U RU197738U1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU197738U1 true RU197738U1 (en) 2020-05-25

Family

ID=70803100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020107750U RU197738U1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU197738U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1284465A3 (en) * 1977-02-22 1987-01-15 Энерджи Девелопмент Ассошиэйтс,Инк (Фирма) Battery of metal-halogen bipolar cells
RU2107360C1 (en) * 1993-03-04 1998-03-20 Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся Storage battery
KR100512411B1 (en) * 2001-09-25 2005-09-05 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 A fuel cell power generation equipment and a device using the same
RU2660491C1 (en) * 2016-09-09 2018-07-06 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Sealant storage battery

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1284465A3 (en) * 1977-02-22 1987-01-15 Энерджи Девелопмент Ассошиэйтс,Инк (Фирма) Battery of metal-halogen bipolar cells
RU2107360C1 (en) * 1993-03-04 1998-03-20 Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся Storage battery
KR100512411B1 (en) * 2001-09-25 2005-09-05 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 A fuel cell power generation equipment and a device using the same
RU2660491C1 (en) * 2016-09-09 2018-07-06 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Sealant storage battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Landman et al. Photoelectrochemical water splitting in separate oxygen and hydrogen cells
US20100136455A1 (en) Common Module Stack Component Design
CN101614794B (en) Method for online detecting charge state of flow battery based on potential difference parameter
US8273495B2 (en) Electrochemical cell structure and method of making the same
US20130177789A1 (en) Redox flow battery system employing different charge and discharge cells
CN102569843A (en) Embedded electrode frame of flow cell pile
WO2015070066A1 (en) Cell and cell block configurations for redox flow battery systems
US20060228619A1 (en) Electrochemical cell structure
Duan et al. Structural modification of vanadium redox flow battery with high electrochemical corrosion resistance
CN110112439B (en) Dynamic circulating and filtering device for electrolyte of metal-air battery
CN102842730A (en) All-vanadium flow battery
Merei et al. Multi-physics model for a vanadium redox flow battery
CN115472884A (en) Liquid flow single cell structure unit and liquid flow cell stack
WO2012042288A1 (en) Frameless electrochemical cell stack having self centering rigid plastic bushings in aligned through holes of interconnects and membrane assemblies
RU197738U1 (en) BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY
TWI521768B (en) Flow battery stack with sensing chip
CN107845825B (en) Sealing element between redox flow battery end plate and end battery and electric pile
EP2605321B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
CN105401645A (en) Structure Block For Water Storage Facility With Power Generating Function
CN114628722B (en) Flow battery pile
TW201644087A (en) Cell module
CN115483424A (en) Electric pile and electric pile system
CN209087992U (en) A kind of shell structure for liquid stream single battery system
US20090181281A1 (en) Electrochemical cell bipolar plate
CN219226328U (en) OCV battery for flow battery