RU2775641C1 - Functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a flow redox battery - Google Patents
Functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a flow redox battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775641C1 RU2775641C1 RU2021130111A RU2021130111A RU2775641C1 RU 2775641 C1 RU2775641 C1 RU 2775641C1 RU 2021130111 A RU2021130111 A RU 2021130111A RU 2021130111 A RU2021130111 A RU 2021130111A RU 2775641 C1 RU2775641 C1 RU 2775641C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stack
- mounting plate
- electrolyte
- functional layout
- energy
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 claims description 8
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 6
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 6
- 241000539716 Mea Species 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 206010001488 Aggression Diseases 0.000 description 1
- 229920001875 Ebonite Polymers 0.000 description 1
- 229920000181 Ethylene propylene rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 229920002530 poly[4-(4-benzoylphenoxy)phenol] polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium(0) Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Заявленное изобретение относится к обучающему и научно-исследовательскому оборудованию в области альтернативной энергетики и электрохимии и может быть использовано как материальная база для проведения натурных испытаний проточных редокс-батарей в научно-исследовательских центрах (учреждениях), или учебно-методический объект при проведении практикумов и лабораторных работ в образовательных учреждениях в рамках изучения электрохимии, курсов общей химии, физики, физической химии, при знакомстве с принципами распределенной энергетики и сопутствующих им дисциплин. Предлагаемое изобретение обеспечивает широкий круг возможностей по наглядному изучению специфики такого типа химических источников тока (ХИТ), как проточные редокс-батареи (ПРБ), позволяет проводить тестирование ПРБ различной мощности и габаритных размеров с использованием электролитов различного состава, обладает бесшланговым соединением основных функциональных узлов и возможностью автономной работы в виде химического источника тока; знакомит пользователя с внешним видом энергонакопителей данного типа.The claimed invention relates to teaching and research equipment in the field of alternative energy and electrochemistry and can be used as a material base for field tests of redox flow batteries in research centers (institutions), or as an educational and methodological object during workshops and laboratory works in educational institutions as part of the study of electrochemistry, courses in general chemistry, physics, physical chemistry, while getting acquainted with the principles of distributed energy and related disciplines. The present invention provides a wide range of opportunities for visual study of the specifics of this type of chemical power sources (CPS) as redox flow batteries (PRBs), allows testing of PRBs of various power and dimensions using electrolytes of various compositions, has a hose-free connection of the main functional units and the possibility of autonomous operation in the form of a chemical current source; acquaints the user with the appearance of energy storage devices of this type.
Чтобы получать энергию ветра, были придуманы ветряки, лопасти которых, обладая все более и более изощренной формой, вращаются под действием силы ветра. Чтобы получать энергию от водопадов, были придуманы гидротурбины, действующей силой которых является сопротивление потоку воды. В других случаях такое сопротивление создается искусственно строительством дамбы. Чтобы получать энергию солнечного света, были изобретены солнечные батареи. Кроме данных, самых распространенных, видов альтернативных источников энергии существует большое множество других, но особенный подход к способу получения энергии требует особого подхода и к способу ее накопления и хранения. Получение энергии от возобновляемых источников - ветер, вода, солнечный свет и т.п., является вовсе нетривиальной задачей, ведь солнце светит только днем; сила ветра зависит от степени и интенсивности перемешивания и перемещения воздушных, от интенсивности изменения температуры и пр.; горные реки всегда более полноводные зимой, а построить дамбы на каждую из них нет возможности либо по геологическим, либо по иным причинам. Вывод из данных слов понятен - любая форма альтернативной энергии обладает неким процентом непостоянства в своих объемах или возможностях к генерации (солнце светит только днем и т.п.). Для преобразования таких форм энергии в электрическую были созданы проточные редокс-батареи. Данный тип ХИТ обладает возможностью независимого масштабирования энергозапаса, путем изменения объема резервуаров под электролит, и мощности, путем изменения габаритных размеров стека (зарядно-разрядного модуля). Кроме того, данный тип ХИТ обладает возможностью быстро реагировать на перепады в объеме приходящей к преобразованию энергии, а также требуемой к отдаче уже запасенной энергии в виде электричества.To obtain wind energy, windmills were invented, the blades of which, having an increasingly sophisticated shape, rotate under the influence of wind force. To get energy from waterfalls, hydroturbines were invented, the operating force of which is the resistance to the flow of water. In other cases, such resistance is created artificially by the construction of a dam. To get the energy of sunlight, solar panels were invented. In addition to these most common types of alternative energy sources, there are many others, but a special approach to the method of obtaining energy requires a special approach to the method of its accumulation and storage. Receiving energy from renewable sources - wind, water, sunlight, etc., is not a trivial task at all, because the sun shines only during the day; the strength of the wind depends on the degree and intensity of mixing and movement of air, on the intensity of temperature changes, etc .; mountain rivers are always more full-flowing in winter, and it is not possible to build dams on each of them, either for geological or other reasons. The conclusion from these words is clear - any form of alternative energy has a certain percentage of volatility in its volumes or possibilities for generation (the sun shines only during the day, etc.). To convert such forms of energy into electrical energy, redox flow batteries were created. This type of HIT has the ability to independently scale the energy reserve, by changing the volume of the tanks for the electrolyte, and power, by changing the overall dimensions of the stack (charge-discharge module). In addition, this type of HIT has the ability to quickly respond to fluctuations in the volume of energy coming to conversion, as well as the amount of energy already stored in the form of electricity required for release.
На данный момент общественность лишь начинает набирать знания в области альтернативной энергетики, разумного потребления природных ресурсов, необходимости их экономии и т.п. Особенно важной задачей является достоверно и доступно рассказать о способах накопления энергии от альтернативных источников, о процессах, лежащих в основе этих способов и подходов. Но, учитывая степень и скорость развития технологий, а также новизну самой идеи - проточной батареи, необходимо иметь предмет/оборудование/стенд - функциональный макет, имитирующий данный тип ХИТ. Наглядное пособие привлекает больше внимания, увлекает и придает характерную длительность интереса обучающегося к предмету обучения. Заявленное изобретение дает возможность показать работу реального объекта, имитирующее такой тип ХИТ, как ПРБ, а также самостоятельно поработать с ним, получив полноценную картину для истинного понимания структуры батареи и принципа ее работы. Таким образом, актуальной задачей является создание установки для натурного изучения принципа работы проточных редокс-батарей, их структуры, основных функциональных узлов, без которых ее работа невозможна; реализация данной установки без использования шланговых соединений придает дополнительную безопасность для пользователя, а возможность самостоятельного крепления батареи (стека) к монтажной плите с насосным модулем обеспечивает интерактивность и вовлеченность в процесс изучения. Кроме того, предложенное устройство обладает возможностью автономной работы в качестве химического источника тока в отсутствии каких-либо дополнительных устройств по запасанию резервного количества энергии.At the moment, the public is just beginning to gain knowledge in the field of alternative energy, reasonable consumption of natural resources, the need to save them, etc. A particularly important task is to reliably and easily tell about the ways of accumulating energy from alternative sources, about the processes underlying these methods and approaches. But, taking into account the degree and speed of technology development, as well as the novelty of the idea itself - a flow battery, it is necessary to have an object / equipment / stand - a functional layout that imitates this type of HIT. A visual aid attracts more attention, captivates and gives a characteristic duration of the student's interest in the subject of study. The claimed invention makes it possible to show the operation of a real object that imitates such a type of HIT as a PRB, as well as work with it independently, obtaining a complete picture for a true understanding of the battery structure and the principle of its operation. Thus, an urgent task is to create an installation for full-scale study of the principle of operation of redox flow batteries, their structure, main functional units, without which its operation is impossible; the implementation of this installation without the use of hose connections provides additional safety for the user, and the possibility of self-attaching the battery (stack) to the mounting plate with the pump module provides interactivity and involvement in the learning process. In addition, the proposed device has the ability to work autonomously as a chemical current source in the absence of any additional devices for storing a reserve amount of energy.
Уровень техникиState of the art
Актуальной задачей является создание функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи, интегрируемого в среду обучения и одновременно не лишенного уровня научно-исследовательского оборудования, предназначенного для изучения структуры и состава комплекса проточных редокс-батарей, проведения тестирования данного типа ХИТ с различным уровнем имеющихся знаний в области распределенной энергетики (школьник/студент/сотрудник научной организации). Обозначенное устройство должно обладать возможностью сборки воедино различных функциональных узлов, приобретая, при этом, больший интерес у обучающегося; тестирования ПРБ различной мощности, энергоемкости и габаритных размеров; обладать бесшланговым соединением основных функциональных узлов и возможностью автономной работы в виде химического источника тока.An urgent task is to create a functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a redox flow battery that is integrated into the learning environment and at the same time not without the level of research equipment designed to study the structure and composition of a complex of redox flow batteries, testing this type of CPS with different the level of existing knowledge in the field of distributed energy (schoolchild / student / employee of a scientific organization). The designated device should be able to assemble various functional units together, while acquiring greater interest from the student; testing of PRBs of various power, energy intensity and overall dimensions; have a hose-free connection of the main functional units and the possibility of autonomous operation in the form of a chemical current source.
Наиболее и единственным близким к заявленному решению является устройство для изучения ванадиевой редокс-батареи [RU 2710683 С9, 2019], включающее корпус, в котором расположены блок питания, плата управления и редокс-батарея, а также два резервуара для электролита, средство для отображения информации, блок для изменения типа подключения, блок насосов и компрессор. Количество пар разъемов в блоке для изменения типа подключения соответствует количеству мембранно-электродных блоков (МЭБ) в батарее. Выходы каждого из резервуаров посредством трубок соединены последовательно с соответствующим насосом и далее с соответствующими входами в мембранно-электродный блок батареи, а выходы из МЭБ соединены трубками с входом в соответствующий резервуар. Компрессор соединен трубками последовательно с каждым из резервуаров с образованием замкнутого контура. Плата управления электрически скоммутирована с блоком для изменения типа подключения, средством отображения информации, блоком насосов, компрессором, блоком питания и батареей. Недостатком данного устройства является наличие большого количества шланговых соединений и трубок, являющихся местами повышенного риска для протечки и выхода электролита наружу. Кроме того, представленное решение лишает пользователя возможности увидеть реальный внешний вид проточных редокс-батарей, не дает самостоятельно произвести манипуляции по монтажу составных частей воедино. Также, описанное устройство не обладает способностью к автономной работе, будучи, при этом, химическим источником тока. Реализованный внешний вид и исходно собранная воедино конструкция лишает возможности участия пользователя в сборке устройства; исходя из структуры невозможно наглядно понять принцип действия реальных промышленных ПРБ, так как все коммуникации спрятаны внутри корпуса; не прослеживается связь объемов используемого электролита, и, как следствие, исключительность применения в качестве стационарных энергонакопителей, обладающих индустриальным внешним видом.The closest and only closest to the claimed solution is a device for studying a vanadium redox battery [RU 2710683 C9, 2019], including a housing in which a power supply, a control board and a redox battery are located, as well as two electrolyte reservoirs, a means for displaying information , a block for changing the type of connection, a block of pumps and a compressor. The number of pairs of connectors in the block for changing the connection type corresponds to the number of membrane electrode blocks (MEAs) in the battery. The outlets of each of the reservoirs are connected in series with the corresponding pump and further with the corresponding inlets to the membrane-electrode block of the battery, and the outlets from the MEA are connected by tubes to the inlet of the corresponding reservoir. The compressor is connected by tubes in series with each of the tanks to form a closed circuit. The control board is electrically connected to the block for changing the type of connection, the information display device, the pump block, the compressor, the power supply unit and the battery. The disadvantage of this device is the presence of a large number of hose connections and tubes, which are places of increased risk for leakage and electrolyte outflow. In addition, the presented solution deprives the user of the opportunity to see the real appearance of redox flow batteries, and does not allow him to independently manipulate the assembly of the components together. Also, the described device does not have the ability to work autonomously, being, at the same time, a chemical current source. The implemented appearance and the initially assembled design makes it impossible for the user to participate in the assembly of the device; based on the structure, it is impossible to visually understand the principle of operation of real industrial PRBs, since all communications are hidden inside the case; there is no connection between the volumes of the electrolyte used, and, as a result, the exclusivity of the use as stationary energy storage devices with an industrial appearance.
Раскрытие сущностиEssence disclosure
Технической проблемой заявленного изобретения является создание функционального макета, предназначенного для изучения комплекса проточных редокс-батарей; состоящего из отдельных функциональных узлов, способных к сборке в единую целостную конструкцию и обеспечивающего возможность тестирования ПРБ (стека) различных габаритных размеров, мощности и энергоемкости, а также работу на различных составах электролитов; соединения основных функциональных узлов должны быть выполнены без использования шлангов, что обеспечит дополнительную безопасность при работе с макетом, исключит возможность протечки. По достижению максимальной степени заряжения батареи, макет должен обладать возможностью автономной работы и одновременно выступать источником энергии. Конструкция должна обеспечивать сборку ее составных частей, что придаст дополнительный интерес у пользователя к участию в процессе изучения такого типа ХИТ, как ПРБ и заставит более полно понять принцип их действия. Размер макета, типы используемых конструкционных материалов должны дать понять, что данный тип ХИТ применяется исключительно в качестве стационарных энергонакопителей. Пропорциональность объема используемого электролита и размера стека обязаны дать понимание размеров реальный систем.The technical problem of the claimed invention is the creation of a functional layout designed to study the complex of redox flow batteries; consisting of separate functional units capable of being assembled into a single integral structure and providing the possibility of testing PRB (stack) of various overall dimensions, power and energy intensity, as well as operation on various electrolyte compositions; the connections of the main functional units must be made without the use of hoses, which will provide additional safety when working with the layout, and exclude the possibility of leakage. Upon reaching the maximum degree of battery charge, the layout must be able to work autonomously and simultaneously act as a source of energy. The design should ensure the assembly of its components, which will give additional interest to the user to participate in the process of studying such a type of CPS as PRB and make them more fully understand the principle of their operation. The size of the layout, the types of structural materials used should make it clear that this type of HIT is used exclusively as stationary energy storage devices. The proportionality of the volume of electrolyte used and the size of the stack should give an understanding of the size of real systems.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является создание функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточных редокс-батарей, состоящий из таких функциональных узлов, как:The technical result achieved by the claimed invention is the creation of a functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of redox flow batteries, consisting of such functional units as:
1) стек (зарядно/разрядный модуль), выполненный из химически устойчивых материалов, дающих возможность работы на различных системах электролитов;1) a stack (charging/discharging module) made of chemically stable materials, which make it possible to work on various electrolyte systems;
2) отдельно стоящая монтажная плита с резервуарами под электролит, обладающие рабочим объемом в 1,5 л и выполненная с обеспечением высокой химической устойчивости к реагентам, используемым в составе большинства известных электролитов;2) a free-standing mounting plate with electrolyte reservoirs with a working volume of 1.5 liters and made to provide high chemical resistance to reagents used in most known electrolytes;
3) насосный модуль, изначально прикрепленный к монтажной плите посредством стяжки, обеспечивающий проток электролита различной интенсивности через стек.3) a pumping module, initially attached to the mounting plate by means of a tie, providing the flow of electrolyte of varying intensity through the stack.
Изначально стек располагается отдельно от собранных вместе монтажной плиты и насосного модуля, что позволяет пользователю произвести манипуляции по самостоятельному креплению стека к плите (посредством стяжки) при помощи фторкаучуковых прокладок. По окончанию проведения процесса заряда батареи, заявленное устройство может выступать в роли источника энергии, обеспечивая энергией, при этом, и себя и потребителя. На самообеспечение макету необходимо около 18 Вт в пиковом потреблении. Остальную мощность может принимать потребитель с рабочим напряжением 12 В и током приблизительно 0,5-1,0 А. Время стабильной работы потребителя будет варьироваться в зависимости от режима его работы (требований).Initially, the stack is located separately from the mounting plate and pump module assembled together, which allows the user to manipulate the stack to the plate itself (by means of a tie) using fluororubber gaskets. At the end of the battery charging process, the claimed device can act as an energy source, providing energy, at the same time, to itself and the consumer. The layout needs about 18 watts at peak consumption to be self-sufficient. The rest of the power can be taken by a consumer with an operating voltage of 12 V and a current of approximately 0.5-1.0 A. The time of stable operation of the consumer will vary depending on its mode of operation (requirements).
Технический результат достигается следующим образом. Стек обладает четырьмя удлиненными шпильками, при помощи которых он крепится к монтажной плите с резервуарами под электролит через 4 сквозных отверстия, расположенные в ней. Крепление данных двух функциональных узлов заявленного изобретения производится посредством их стяжки друг к другу 8 гайками. В монтажной плите находятся специальные углубления, к которым подходят каналы с циркулирующим электролитом внутри самой плиты. Сначала укладываются прокладки, выполняющие роль уплотнения прижимного соединения. Затем на них устанавливается стек и прижимается 4 гайками снизу плиты. После небольшого прижима систему проверяют на герметичность, запуская проток дистиллированной воды через весь макет, изначально залитой в резервуары. Как только вода прекращает сочиться из под места прижима стека к монтажной плите, стек прижимают еще 4 гайками сверху плиты, чтобы нивелировать изгиб плиты и скомпенсировать давление. Такой способ крепления стека к разработанной монтажной плите позволяет крепить батарею различного размера, что дает возможность проводить тестирование и исследования ПРБ различной мощности, которая определяется размерами электродной области каждого МЭБ, входящих в состав стека. Энергоемкость определяется объемом заливаемого электролита и концентрацией электроактивного вещества. Тем самым реализована возможность варьирования энергозапаса (энергоемкости) макета. Пользователь может заливать различный объем приготовленного электролита по своей методике, чем будет варьироваться длительность зарядно-разрядного цикла. Концентрация по электроактивному веществу в приготовленном электролите дает возможность менять количество получаемой энергии в единицу времени и различные другие характеристики. Все составные части макета, контактирующие с электролитом, выполнены из высоко химически устойчивых материалов (тефлон, фторкаучук, полиэфирэфиркетон и пр.), что дает возможность работы с различными по своей агрессивности химическими реагентами, входящими в состав электролитов. Как стек, так и насосный модуль крепятся к монтажной плите с резервуарами под электролит при помощи прижимной силы посредством шпилек и гаек. Полностью заряженная батарея обладает рабочим диапазоном напряжения в 8-16 В и способна выдерживать токи до 2 А. Таким образом, заложенной мощности, начиная от состояния полного заряжения батареи, хватает на поддержание работы самого макета (обеспечение работы насосного модуля - 18 Вт) и потребителя с параметрами в 12 В и около 0,5-1,0 А, выступая, при этом, и химическим источником тока. При конструировании предложенного устройства использованы популярные и знакомые в данной области науки и техники конструкционные материалы без какой-либо обработки или упаковывания в корпус. Данная мера предназначена для повышения степени наглядного понимания пользователем структуры и составных частей ПРБ. Макет обладает небольшими габаритными размерами 280*145*375 мм, что дает возможность его быстрого перемещения и использования в любом необходимом и удобном для того месте, правильно оборудованном под работы такого характера. Кроме того, реализация в таких габаритных размерах и весе 4,95 кг рассказывает о том, как оно будет в реальности, если пропорционально увеличить требования к мощностным показателям и энергозапасу. Монтажная плита выполнена прямоугольной формы, то помогает удобно расположить по бокам в ее нижней части резервуары под электролит, а посередине насосный модуль, расположенный строго напротив стека. Такое расположение функциональных узлов делает макет максимально компактным и удобным в использовании.The technical result is achieved as follows. The stack has four elongated studs, with which it is attached to the mounting plate with electrolyte reservoirs through 4 through holes located in it. The fastening of these two functional units of the claimed invention is carried out by means of their ties to each other with 8 nuts. There are special recesses in the mounting plate, to which channels with circulating electrolyte fit inside the plate itself. First, gaskets are laid, which act as a seal for the pressure joint. Then a stack is installed on them and pressed with 4 nuts from the bottom of the plate. After a slight pressure, the system is checked for leaks by running a flow of distilled water through the entire layout, which was initially filled into the tanks. As soon as the water stops seeping from under the place where the stack is pressed against the mounting plate, the stack is pressed with 4 more nuts on top of the plate to level the bending of the plate and compensate for the pressure. This method of attaching the stack to the developed mounting plate makes it possible to mount a battery of various sizes, which makes it possible to test and study PRBs of various power, which is determined by the size of the electrode area of each MEA included in the stack. The energy intensity is determined by the volume of the electrolyte being poured and the concentration of the electroactive substance. Thus, the possibility of varying the energy reserve (energy intensity) of the layout is realized. The user can fill in a different volume of the prepared electrolyte according to his own method, which will vary the duration of the charge-discharge cycle. The concentration of the electroactive substance in the prepared electrolyte makes it possible to change the amount of energy received per unit of time and various other characteristics. All components of the mock-up that are in contact with the electrolyte are made of highly chemically stable materials (Teflon, fluoroelastomer, polyetheretherketone, etc.), which makes it possible to work with chemical reagents that are part of electrolytes with different aggressiveness. Both the stack and the pump module are clamped to the mounting plate with electrolyte reservoirs using clamping force via studs and nuts. A fully charged battery has an operating voltage range of 8-16 V and is capable of withstanding currents up to 2 A. Thus, the stored power, starting from the state of a fully charged battery, is enough to maintain the operation of the layout itself (ensuring the operation of the pump module - 18 W) and the consumer with parameters of 12 V and about 0.5-1.0 A, while acting as a chemical current source. When designing the proposed device, popular and familiar structural materials in the field of science and technology were used without any processing or packaging in a case. This measure is intended to improve the user's visual understanding of the structure and components of the PSR. The model has small overall dimensions of 280*145*375 mm, which makes it possible to quickly move it and use it in any necessary and convenient place, properly equipped for work of this nature. In addition, the implementation in such overall dimensions and weight of 4.95 kg tells how it will be in reality if the requirements for power indicators and energy reserve are proportionally increased. The mounting plate is made of a rectangular shape, which helps to conveniently place the electrolyte tanks on the sides in its lower part, and in the middle the pump module, located strictly opposite the stack. This arrangement of functional nodes makes the layout as compact and convenient as possible to use.
Конструкция изобретения может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения настоящего описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний и перечислены далее в тексте.The design of the invention may be subject to various changes and modifications, understandable to a person skilled in the art based on reading the present description. Such changes do not limit the scope of the claims and are listed later in the text.
Устройство может быть выполнено различной формы. Так, например, стек может обладать прямоугольной формой, так как большинство промышленных стеков обладают именно такой в силу специфики происходящих процессов на поверхности электродов при превращении химической энергии в электрическую. Кроме того, стек может быть круглой формы.The device can be made in various forms. So, for example, a stack can have a rectangular shape, since most industrial stacks have just such a shape due to the specifics of the processes occurring on the surface of the electrodes during the conversion of chemical energy into electrical energy. In addition, the stack may be round in shape.
Верхняя и нижняя части монтажной плиты могут быть из титана, что повысит химическую устойчивость поверхности, но также и вес самого устройства. Фторкаучук, используемый в роли уплотнительного и изолирующего от химически агрессивных реагентов электролита материала, может быть заменен на перфторкаучук или этилен-пропиленовый каучук, что сохранит или даже повысит химическую стойкость, но повысит себестоимость устройства. Тефлон может быть заменен на эбонит или другой схожий по своим свойствам материал. Монтажная плита с резервуарами под электролит может быть выполнена квадратной формы. Резервуары, при этом, могут быть цилиндрическими или квадратными.The top and bottom of the mounting plate can be made of titanium, which will increase the chemical resistance of the surface, but also the weight of the device itself. Fluororubber, used as a sealing and insulating material from chemically aggressive electrolyte reagents, can be replaced with perfluororubber or ethylene-propylene rubber, which will maintain or even increase chemical resistance, but increase the cost of the device. Teflon can be replaced with ebonite or other similar material. The mounting plate with electrolyte tanks can be made in a square shape. Tanks, in this case, can be cylindrical or square.
Насос в насосном модуле может включать не мембранный двухголовый, а два одноголовых мембранных насоса; также шестеренчатый, центробежный или любой другой тип насоса также может быть использован в качестве перекачивающего устройства. Такая замена повлечет серьезные изменения в конструкции самой монтажной плиты, способе крепления насоса и т.п., но оставляет место быть.The pump in the pump module may include not a double-head diaphragm pump, but two single-head diaphragm pumps; also gear, centrifugal or any other type of pump can also be used as a pumping device. Such a replacement will entail serious changes in the design of the mounting plate itself, the method of mounting the pump, etc., but leaves room for it.
Стек может содержать различное количество мембранно-электродных блоков, начиная от 2. При этом, макет позволяет тестировать и единичные ячейки, так называемые мембранно-электродные блоки. Стек и МЭБ могут иметь совершенно различную форму исполнения (прямоугольную, цилиндрическую, квадратную, как он исполнен в заявленной устройстве или иную), при условии, что столбы, предназначенные для крепления к монтажной плите, имеют аналогичные размер и расположены на том же расстоянии. В противном случае это также повлечет серьезное изменение структуры и устройства монтажной плиты - перемещать принимающие отверстия в плите под стек соосно с новым, отличным исполнением входных и выходных столбов стека, через которые происходит его запитка электролитом.A stack can contain a different number of membrane-electrode blocks, starting from 2. At the same time, the layout allows testing single cells, the so-called membrane-electrode blocks. The stack and the MEA can have a completely different shape (rectangular, cylindrical, square, as it is made in the claimed device or otherwise), provided that the poles intended for fastening to the mounting plate are of the same size and located at the same distance. Otherwise, this will also entail a serious change in the structure and device of the mounting plate - to move the receiving holes in the plate under the stack coaxially with the new, excellent performance of the input and output columns of the stack, through which it is fed with electrolyte.
Заявленное устройство - функциональный макет для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи. Является материальной базой для ознакомления с основными и обязательными к наличию функциональными узлами такого типа энергонакопителя, а также для проведения научно-практических и лабораторных работ в рамках различных преподавательских курсов по ознакомлению с ХИТ в области распределенной энергетики. С целью повышения интереса к предмету изучения, реализовано с возможностью самостоятельного крепления стека к монтажной плите с резервуарами под электролит и насосным модулем. Также предназначено для проведения натурных испытаний проточных редокс-батарей на различных по составу электролитах объемом до 1,5 л на один бак и общим объемом 3 л. Устройство может работать автономно и, одновременно с этим, выступать в роли химического источника тока для потребителя с требованиями по напряжению в 12 В и току в 0,5 - 1,0 А от состояния заряжения батареи, приближенного к максимальному.The claimed device is a functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a redox flow battery. It is a material base for getting acquainted with the main and mandatory functional units of this type of energy storage, as well as for conducting scientific, practical and laboratory work as part of various teaching courses on familiarization with HIT in the field of distributed energy. In order to increase interest in the subject of study, it is implemented with the possibility of self-attaching the stack to the mounting plate with reservoirs for electrolyte and a pump module. It is also intended for carrying out full-scale tests of redox flow batteries on electrolytes of various composition with a volume of up to 1.5 liters per tank and a total volume of 3 liters. The device can operate autonomously and, at the same time, act as a chemical current source for the consumer with voltage requirements of 12 V and current of 0.5 - 1.0 A from the battery state of charge close to the maximum.
Опционально может быть реализована возможность крепления серии стеков различной мощности и габаритных размеров, формы.Optionally, the possibility of attaching a series of stacks of various capacities and overall dimensions and shapes can be realized.
Стенд может (помимо образовательных функций) встраиваться в интерактивные макеты городов и других инфраструктурных объектов, выполняя функцию прототипа стационарного накопителя энергии и в автономном режиме отдавать энергию по необходимости.The stand can (in addition to educational functions) be built into interactive layouts of cities and other infrastructure facilities, performing the function of a prototype of a stationary energy storage device and autonomously supply energy as needed.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает широкие функциональные возможности учебно-методического оборудования, функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи.Thus, the claimed set of essential features provides ample functionality of educational and methodological equipment, a functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a flow redox battery.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Заявленное изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 - изображение собранного воедино функционального макета; на фиг.2 - изображение зарядно-разрядного модуля (стека); на фиг.3 - верхняя часть монтажной плиты; на фиг.4 - сопутствующие материалы к функциональному макету.The claimed invention is illustrated by drawings, where figure 1 is an image of the assembled functional layout; figure 2 - image of the charge-discharge module (stack); figure 3 - the upper part of the mounting plate; figure 4 - related materials to the functional layout.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения «макета», не ограничивающее его 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 invention "layout", which does not limit its essence, presented in an independent claim, but only demonstrates the possibility of implementing the purpose with the achievement of the claimed technical result.
Предлагаемое изобретение состоит из монтажной плиты (1) с резервуарами под электролит (2), которые крепятся между слоями листовых материалов, входящих в состав монтажной плиты: дюралевых пластин (3) и (4), фторкаучуковых прокладок (5) и (6), а также тефлоновой пластиной (7). Достижение герметичного крепления резервуаров (2) и всей конструкции в целом происходит при помощи винтов (8) и гаек (9), расположенных по периферии и в центральной части плиты. К нижней ее части крепится насосный модуль, имеющий в составе сам насос (10), две ромбовидные дюралевые пластины (11), а также цилиндры (12). Крепление производится при помощи гаек (13) и шпилек (14), расположенных в нижней части насосного модуля. Внутри резервуаров (2) расположены трубки из поливинилиденфторида (15), вкрученные в нижнюю часть монтажной плиты (1). Изоляция электролитов от кислорода воздуха происходит при помощи закрытия резервуаров крышками (16). Стек (17) вставляется узкой частью питающих столбов (18) в специальные пазы (19), расположенные в центральной части монтажной плиты (1). После этого, при помощи гаек (9) и четырех удлиненных шпилек (20), стек прижимается к монтажной плите (1) перекрестным затягиванием гаек (9), расположенных снизу плиты. Затем аналогичными гайками притягивается сверху. Герметизация места контакта стека (17) и монтажной плиты (1) производится при помощи фторкаучуковых прокладок (21), вкладываемых заведомо в пазы (19). Движение электролита осуществляется при помощи насоса в направлении: из резервуара, через тефлоновую пластину в стек и обратно в тот же резервуар. Аналогичную схему движения имеет и электролит, расположенный в другом резервуаре.The proposed invention consists of a mounting plate (1) with electrolyte reservoirs (2), which are attached between the layers of sheet materials that make up the mounting plate: duralumin plates (3) and (4), fluororubber gaskets (5) and (6), as well as a Teflon plate (7). Achieving hermetic fastening of tanks (2) and the entire structure as a whole occurs with the help of screws (8) and nuts (9) located along the periphery and in the central part of the plate. A pump module is attached to its lower part, which includes the pump itself (10), two diamond-shaped duralumin plates (11), and cylinders (12). Fastening is done with nuts (13) and studs (14) located at the bottom of the pump module. Inside the tanks (2) are PVDF pipes (15) screwed into the bottom of the mounting plate (1). Isolation of electrolytes from atmospheric oxygen occurs by closing the tanks with lids (16). The stack (17) is inserted by the narrow part of the supply posts (18) into special grooves (19) located in the central part of the mounting plate (1). After that, using nuts (9) and four elongated studs (20), the stack is pressed against the mounting plate (1) by cross-tightening the nuts (9) located at the bottom of the plate. Then, with similar nuts, it is attracted from above. The sealing of the contact point of the stack (17) and the mounting plate (1) is carried out with the help of fluororubber gaskets (21) inserted into the slots (19). The movement of the electrolyte is carried out by means of a pump in the direction: from the tank, through the Teflon plate to the stack and back to the same tank. The electrolyte located in another reservoir has a similar movement pattern.
Макет безопасен в использовании, обладает небольшими габаритными размерами (280*145*375 мм) и малым весом (4,95 кг), что никак не ограничивает пользователя в его перемещении и применении в различных по своей специфике местах и областях.The model is safe to use, has small overall dimensions (280*145*375 mm) and low weight (4.95 kg), which in no way restricts the user from moving and using it in different places and areas.
Предлагаемое изобретение можно использовать при проведении различных научно-практических и лабораторных работ, воркшопов. Макет дает возможность исследовать функциональные возможности стеков (зарядно-разрядных модулей / батарей МЭБ) различной мощности, и, как следствие, габаритов. Обладает возможностью выступать химическим источником тока при самообеспечении, запитывая потребителя с параметрами до 12 В и 1 А в течение некоторого времени (в зависимости от различных факторов: концентрации электроактивного компонента электролита, точных требованиях потребителя, их постоянства и т.п.). Позволяет подключение различных установок и приборов для тестирования ХИТ (потенциостаты-гальваностаты / станции для тестирования батарей и пр.). Обладает рабочим диапазоном по напряжению в 8-16 В и выходной мощностью в 12 Вт в условиях самообеспечения на 18 Вт в пиковом потреблении.The proposed invention can be used in various scientific, practical and laboratory work, workshops. The layout makes it possible to explore the functionality of stacks (charge-discharge modules / MEA batteries) of different power, and, as a result, dimensions. It has the ability to act as a chemical current source in self-sufficiency, supplying the consumer with parameters up to 12 V and 1 A for some time (depending on various factors: the concentration of the electroactive component of the electrolyte, the exact requirements of the consumer, their constancy, etc.). Allows the connection of various installations and devices for testing HIT (potentiostats-galvanostats / stations for testing batteries, etc.). It has an operating voltage range of 8-16 V and an output power of 12 W in self-sufficient conditions for 18 W in peak consumption.
На предлагаемом изобретении возможно проведение таких воркшопов, научно-практических и лабораторных работ, как:On the proposed invention, it is possible to conduct such workshops, scientific, practical and laboratory work as:
1) проведение циклических зарядно-разрядных испытаний «макета» (ресурсных испытаний);1) carrying out cyclic charge-discharge tests of the “dummy” (life tests);
2) изучение процесса заряжения электролита (батареи/стека) гальвано- и потенциостатическим методами, а также комбинацией данных методов;2) study of the process of charging an electrolyte (battery/stack) by galvanic and potentiostatic methods, as well as a combination of these methods;
3) изучение влияния концентрации электроактивного вещества на энергоемкость, длительность цикла заряда-разряда и вытекающие из этого следствия;3) study of the influence of the concentration of an electroactive substance on the energy intensity, the duration of the charge-discharge cycle and the consequences arising from this;
4) изучение влияния скорости протока электролита на основные показатели ПРБ: КПД по энергии/заряду/напряжению;4) study of the influence of the electrolyte flow rate on the main indicators of the PRB: energy/charge/voltage efficiency;
5) снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) стека при степени заряжения батареи 50 и (или) 100%;5) removal of the current-voltage characteristic (CVC) of the stack at a battery charge level of 50 and (or) 100%;
6) изучение влияния различия требований потребителя на время работы батареи в режиме самообеспечения;6) study of the impact of differences in consumer requirements on the battery life in self-sustaining mode;
7) проведение мероприятий по популяризации такой области научной деятельности, как альтернативная энергетика и хранение энергии от возобновляемых энергоресурсов;7) carrying out activities to popularize such an area of scientific activity as alternative energy and energy storage from renewable energy resources;
8) исследование процесса распределения потенциала по всем МЭБ, входящих в состав стека.8) study of the potential distribution process for all MEAs included in the stack.
Claims (9)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775641C1 true RU2775641C1 (en) | 2022-07-05 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103620845A (en) * | 2011-06-27 | 2014-03-05 | 住友电气工业株式会社 | Redox flow battery |
EP2980903A1 (en) * | 2013-03-30 | 2016-02-03 | Le System Co., Ltd. | Redox flow battery and method for operating same |
CN110970647A (en) * | 2018-09-30 | 2020-04-07 | 国家能源投资集团有限责任公司 | Flow battery capable of realizing sealing and battery stack |
RU2710683C9 (en) * | 2019-04-29 | 2020-06-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Device for studying the structure and operating principle of a vanadium redox battery |
WO2020236700A1 (en) * | 2019-05-20 | 2020-11-26 | Creek Channel Inc. | Redox flow battery systems and methods of manufacture and operation |
RU2747804C2 (en) * | 2016-12-19 | 2021-05-14 | Ларго Клин Энерджи Корп. | Large-scale flow battery system |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103620845A (en) * | 2011-06-27 | 2014-03-05 | 住友电气工业株式会社 | Redox flow battery |
EP2980903A1 (en) * | 2013-03-30 | 2016-02-03 | Le System Co., Ltd. | Redox flow battery and method for operating same |
RU2747804C2 (en) * | 2016-12-19 | 2021-05-14 | Ларго Клин Энерджи Корп. | Large-scale flow battery system |
CN110970647A (en) * | 2018-09-30 | 2020-04-07 | 国家能源投资集团有限责任公司 | Flow battery capable of realizing sealing and battery stack |
RU2710683C9 (en) * | 2019-04-29 | 2020-06-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Device for studying the structure and operating principle of a vanadium redox battery |
WO2020236700A1 (en) * | 2019-05-20 | 2020-11-26 | Creek Channel Inc. | Redox flow battery systems and methods of manufacture and operation |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ: Учебно-методический стенд "Ванадиевая редокс-батарея", М.: Инэнерджи, 2020. Статья: Проточные редокс-батареи: место в современной структуре электроэнергетики и сравнительные харктеристики основных типов"., Ж. "Успехи химии", ИОХ РАН, РАН, 2021 (дата поступления 31.07.2020 г.). * |
Статья: "ПРОТОЧНЫЕ БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕДОКС-СИСТЕМ ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОГО ХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ", Ж. Электрохимическая энергетика. Т. 21, номер 2, с. 59-85, 2021 г. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pugach et al. | Zero dimensional dynamic model of vanadium redox flow battery cell incorporating all modes of vanadium ions crossover | |
Merei et al. | Multi-physics model for a vanadium redox flow battery | |
CN104882624A (en) | Anthraquinone flow battery | |
Sakr et al. | Effect of electrodes separator-type on hydrogen production using solar energy | |
CN102866094B (en) | Test method and test device of permeability of diaphragm quadrivalence vanadium ion | |
Weng et al. | An Acid–Base Battery with Oxygen Electrodes: A Laboratory Demonstration of Electrochemical Power Sources | |
RU2775641C1 (en) | Functional layout for studying the structure and demonstrating the operation of a flow redox battery | |
KR200447670Y1 (en) | Energy collection apparatus for the purpose of education | |
CN201689586U (en) | Tester for hydrogen fuel cell | |
CN204463620U (en) | A kind of tidal power generation demonstrator | |
RU2710683C9 (en) | Device for studying the structure and operating principle of a vanadium redox battery | |
CN201773517U (en) | Solar power supply demonstration device used for teaching | |
CN204463619U (en) | A kind of demonstrator of hydraulic type tidal power generation | |
CN205115613U (en) | Electrolysis trough for test of simulation industry brineelectrolysis operation | |
Rahim et al. | Simulation analysis of the effect of temperature on overpotentials in PEM electrolyzer system | |
CN211519314U (en) | Outdoor charging pile for new energy automobile | |
Yildiz et al. | Development of a renewable energy course for a technology program | |
Mojica et al. | Solar regenerative hydrogen fuel cell charging system | |
RU197738U1 (en) | BATTERY DEVICE FOR MEMBRANE-ELECTRODE BLOCKS OF THE FLOWING BATTERY | |
Carcadea et al. | PEM electrolyzer–an important component of a backup emergency hydrogen-based power source | |
Kazarik et al. | Method and device for long-term cycling tests of reversible fuel cells | |
CN203085054U (en) | Electrolytic experiment device | |
CN112447266A (en) | All-vanadium redox flow battery capacity attenuation modeling method considering water molecule migration | |
Frois | Balancing the Grid with hydrogen technologies | |
CN205541587U (en) | Presentation device is used in power equipment training |