RU2854916C1 - Флоуфрейм для ячейки ванадиевого проточного аккумулятора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам и устройствам накопления энергии, в частности к проточным ванадиевым окислительно-восстановительным батареям – к флоуфреймам проточного аккумулятора. Техническим результатом является повышение эффективности и срока службы проточной батареи. Технический результат достигается за счет флоуфрейма для электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора, выполненного в виде пластины с центральным прямоугольным сквозным отверстием для размещения пористого электрода, при этом на лицевой поверхности пластины симметрично расположены проточные каналы для подачи и слива электролита, причём: каналы для подачи соединены с отверстием для подачи через единый соединительный канал, каналы для слива соединены с отверстием для слива через единый соединительный канал; на тыльной поверхности выполнены: паз для размещения мембраны, уплотнительные пазы для силиконовой прокладки, при этом проточные каналы имеют ширину и глубину, обеспечивающие равномерное распределение электролита через электрод, а уплотнительные пазы интегрированы в конструкцию таким образом, что предотвращают протечки без использования дополнительных крепёжных элементов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное техническое решение, в общем, относится к способам и устройствам накопления энергии, в частности к проточным ванадиевым окислительно-восстановительным батареям – к флоуфреймам проточного аккумулятора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Аккумуляторы - ключевая технология устойчивого развития электрических сетей с высокой долей производства возобновляемой энергии. Среди различных аккумуляторных технологий ванадиевые проточные аккумуляторы (ВПА) считаются одними из наиболее перспективных решений для крупномасштабных систем хранения энергии, подходящие для интеграции с возобновляемыми источниками энергии. Одним из ключевых компонентов ВПА является автоматизированная система управления аккумулятором (АСУ), которая отслеживает и контролирует такие параметры, как ток нагрузки, температура батареи и скорость потока электролита, чтобы обеспечить стабильную работу батареи с высокой эффективностью и низкой деградацией.

Флоуфрейм является одним из базовых компонентов электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора.

Кроме того, флоуфрейм – рамка для распределения потока электролита внутри электрохимической ячейки проточного аккумулятора является одним из базовых компонентов электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора. С помощью флоуфрейма формируется одномерный поток сквозь пористый электрод в ячейке.

Из уровня техники известен патент на изобретение US 11069913 B2 «Redox flow battery with porous electrode in which mixing plate is inserted», Industry Academic Cooperation Foundation of Yonsei University, опубл. 20.07.2021.

В данном патенте описывается окислительно-восстановительная проточная батарея, которая образует пространство для смешивания активного материала в пористом электроде для улучшения неравномерной концентрации активного материала, тем самым улучшая энергетическую эффективность за счет снижения перенапряжения и увеличения площади стопки и ее выхода.

Недостатком данного решения является то, что такая конфигурация батареи обладает низкой эффективностью ввиду больших массотранспортных потерь, которые не позволяют осуществлять эксплуатацию таких ячеек при больших токах.

Из уровня техники известен патент на полезную модель CN 221651528 U «Flow frame for flow battery», Hubei Xinye Energy Storage Technology Co ltd Hubei Polytechnic University, опубл. 03.09.2024.

В данном патенте описывается проточная рама для проточной батареи редокс, круговая проточная рама имеет тупую и стереотипную форму, прямоугольная канавка установлена на передней стороне круговой проточной рамки в средней части, прямоугольное сквозное отверстие установлено на нижней поверхности прямоугольной канавки в средней части, серповидная выемка, которая является верхним и нижним симметричным распределением и сообщается с прямоугольной канавкой, установлена на передней стороне круговой проточной рамки, нижняя поверхность серповидной выемки жестко соединена с треугольной призмой поперечного распределения, передняя сторона круговой проточной рамки установлена и является выемкой для бегуна, которая является центральным симметричным распределением и сообщается с серповидной выемкой, сквозное отверстие для бегуна и все установлено на дне выемки для бегуна.

Недостатком данного решения является то, что круглая конструкция усложняет установку и сборку аккумуляторного модуля, особенно в стандартных прямоугольных корпусах. Кроме того, использование круглой рамки в сочетании с квадратными электродами и мембраной приводит к перерасходу материала при производстве, что увеличивает затраты и снижает эффективность использования компонентов.

Из уровня техники также известен патент на полезную модель CN 219591439 U «Flow frame structure for flow battery», Wenzhou Zinc Times Energy Co ltd, опубл. 25.08.2023.

Данная полезная модель раскрывает структуру проточной рамы для проточной батареи, которая включает проточную раму и биполярную пластину, в которой передняя поверхность проточной рамы снабжена проточными каналами, проточные каналы включают в себя проточные каналы впуска жидкости, которые расположены с двух сторон проточной рамы и сообщаются с впускными отверстиями для жидкости, и проточные каналы выпуска жидкости, которые сообщаются с выпускными отверстиями для жидкости, по меньшей мере два реакционных отверстия одинакового размера расположены между проточными каналами впуска жидкости и проточными каналами выпуска жидкости, два реакционных отверстия расположены бок о бок, каждое реакционное отверстие сообщено с одинаковым количеством проточных каналов равнораспределения второй ступени впуска жидкости и проточных каналов равнораспределения второй ступени выпуска жидкости, количество биполярных пластин соответствует количеству реакционных отверстий, биполярные пластины неподвижно расположены на задней поверхности проточной рамы, и биполярные пластины покрывают задние поверхности соответствующих реакционных отверстий. Ионообменные мембраны и биполярные пластины поровну разделены в соответствии с числом реакционных отверстий, так что площадь покрытия каждой ионообменной мембраны уменьшается, а ионообменные мембраны не опускаются и не контактируют с биполярными пластинами в обменном пространстве, образованном после того, как реакционные отверстия закрываются ионообменными мембранами и биполярными пластинами.

Недостатком данного решения является то, что конструкция снабжена двумя отверстиями для электрода и клапаны Теслы, которые усложняют сборку и производство, увеличивают риск протечек и снижают эффективность потока из-за повышенного сопротивления.

Предлагаемое к рассмотрению техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание нового флоуфрейма для электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора, выполненного в виде пластины с центральным прямоугольным сквозным отверстием для размещения пористого электрода.

В заявленном техническом решении предложена геометрия флоуфрейма – рамки для распределения потока электролита внутри электрохимической ячейки проточного аккумулятора. Предложенная конфигурация позволяет достичь более равномерного распределения электролита по пористому электроду при малом гидравлическом сопротивлении за счет имеющихся каналов, при этом понижая затраты энергии, необходимые для прокачки жидкости через ячейку. Более того, предложенная конфигурация имеет специальные уплотнительные контуры, которые позволяют выдерживать высокую интенсивность прокачки электролита без протечек между элементами электрохимической ячейки. Такая конфигурация позволяет достичь более высокой электрохимической конверсии и при этом снизить потери емкости, связанные с перетоками электролита внутри ячейки.

Технический результат является повышение эффективности и срока службы проточной батареи.

Заявленный технический результат достигается за счет флоуфрейма для электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора, выполненного в виде пластины с центральным прямоугольным сквозным отверстием для размещения пористого электрода, отличающегося тем, что

• на лицевой поверхности пластины симметрично расположены проточные каналы для подачи и слива электролита, причём:

- каналы для подачи соединены с отверстием для подачи через единый соединительный канал,

- каналы для слива соединены с отверстием для слива через единый соединительный канал;

• на тыльной поверхности выполнены:

- паз для размещения мембраны,

- уплотнительные пазы для силиконовой прокладки,

• при этом проточные каналы имеют ширину и глубину, обеспечивающие равномерное распределение электролита через электрод,

• а уплотнительные пазы интегрированы в конструкцию таким образом, что предотвращают протечки без использования дополнительных крепёжных элементов.

В частном варианте реализации на тыльной поверхности пластины выполнен паз для размещения прижимной пластины, обеспечивающий упрощённое крепление компонентов при сборке.

В другом частном варианте реализации на лицевой и тыльной поверхностях пластины выполнены дополнительные уплотнительные пазы для размещения силиконовой прокладки, повышающие герметичность сборки.

В другом частном варианте реализации на лицевой поверхности пластины выполнен паз для размещения мембраны, обеспечивающий её точную установку и фиксацию.

В другом частном варианте реализации в пазе для мембраны на тыльной поверхности пластины выполнен дополнительный уплотнительный паз для силиконовой прокладки, повышающий герметичность в зоне мембраны.

В другом частном варианте реализации на тыльной поверхности пластины выполнены цилиндрические выступы высотой не менее 4 мм и диаметром 7-9 мм с осевыми отверстиями диаметром 3-4 мм для подвода электролита.

В другом частном варианте реализации проточные каналы выполнены с шириной 2 мм и глубиной 1 мм, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и оптимизацию потока электролита.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

Рис. 1 иллюстрирует схему ванадиевого проточного аккумулятора.

Рис. 2 иллюстрирует конфигурацию электрохимической ячейки.

Рис. 3 иллюстрирует флоуфрейм (лицевая поверхность).

Рис. 4 иллюстрирует флоуфрейм (тыльная поверхность).

Рис. 5 иллюстрирует прижимную рамку.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Ванадиевый проточный аккумулятор – это тип химического источника тока, в котором в качестве электролита используются растворы ванадия. Этот тип аккумуляторов отличается высокой энергоемкостью и длительным сроком службы, но имеет ограниченную мощность и требует специального оборудования для зарядки и обслуживания. Ванадиевые проточные аккумуляторы используются в различных отраслях, включая энергетику и транспорт, где требуется длительное хранение и использование энергии.

Ванадиевый проточный аккумулятор решает проблемы, связанные с накоплением и использованием энергии. Он позволяет накапливать энергию от различных источников, таких как солнце, ветер, геотермальные источники и использовать ее в нужный момент. Также он может использоваться для балансирования нагрузки в энергетических системах, когда необходимо быстро увеличить или уменьшить выработку энергии.

В заявленном техническом решении предлагается флоуфрейм для электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора, выполненный в виде пластины с центральным прямоугольным сквозным отверстием для размещения пористого электрода.

На рис. 1 приведена схема ванадиевого проточного аккумулятора. Ванадиевый проточный аккумулятор состоит из электрохимической ячейки, двух резервуаров для электролита и насосов для прокачки электролита. В качестве электролита аккумулятор использует растворы ванадия. Преобразование химической энергии в электрическую происходит в электрохимической ячейке посредством перехода ионов ванадия в различные валентные состояния. Во время фазы заряда ионы становятся на отрицательном электроде, а ионы превращаются в на положительном электроде.

Типичная электрохимическая ячейка ванадиевого проточного аккумулятора образована двумя полуэлементами, состоящими из токоприемника, пластин с каналами, по которым протекает электролит (флоуфрейма), и пористого электрода (Рис. 2). Распространены две конфигурации – flow-by, в части электролит течёт по каналам, диффундируя в пористый электрод, и flow-through, в части электролит протекает напрямую сквозь пористый электрод.

В реальных аккумуляторах для увеличения мощности используется несколько последовательно соединённых ячеек, называемых стэком. Стэк – ключевое звено аккумуляторной системы, в которой происходят все электрохимические реакции.

Увеличение стэков уменьшает стоимость системы и упрощает её конструкцию, однако может возникнуть ряд проблем. В частности, одной из главных проблем является увеличение неравномерности потока электролита сквозь электрод. В заявленном решении предложенная система каналов должна обеспечивать достаточную равномерность распределения электролита по пористому электроду, при этом не создавая слишком больших потерь давления.

Представленная на рис. 2 электрохимическая ячейка состоит из таких элементов, как: 1 – прижимная пластина, 2 – медный токосъёмник, 3 – биполярная пластина, 4 – силиконовая прокладка, 5 – флоуфрейм, 6 – прижимная рамка, 7 – электрод, 8 – силиконовая прокладка, 9 – мембрана.

Разработанный флоуфрейм представляет собой квадратную пластину толщиной 3-5 мм (рис. 3). Материал, выбранный для производства, должен удовлетворять ряд условий. В частности, материал должен быть химически устойчив к воздействию кислот, не проводить электричество, обладать достаточными прочностными показателями, при этом легко поддаваться механической обработке. Исходя из этих критериев, как один из вариантов был выбран именно высокопрочный ПВХ, при этом возможна реализация предложенной конфигурации флоуфрейма из других материалов, соответствующих завяленным требованиям.

По центру флоуфрейма находится сквозное отверстие 11 для размещения пористого электрода 7, например, углеродного фетра. Кроме того, на лицевой поверхности флоуфрейма расположены интегрированные уплотнительный паз 12 для силиконовой прокладки 8. Этот паз сконструирован таким образом, что предотвращаюет протечки электролита без необходимости использования дополнительных крепёжных элементов. Это снижает риск утечек, что напрямую увеличивает срок службы аккумулятора.

Для равномерного протекания электролита сквозь пористый электрод предусмотрены входные и выходные каналы 13. Каналы для подачи соединены с отверстием для подачи через единый соединительный канал, а каналы для слива — с отверстием для слива через единый соединительный канал. Такая конфигурация обеспечивает равномерное распределение электролита через электрод, что улучшает массоперенос, снижает локальные перегрузки и повышает коэффициент полезного действия (КПД) аккумулятора.

Каналы 14 спроектированы так, чтобы создавать оптимальное распределение концентрации электролита на пористом электроде и минимальные потери давления при расходе 100 мл/мин. Высота каналов равна 1 мм, их ширина – 2 мм. На пластине находится вплоть до 13 входных и выходных каналов. Их количество может варьироваться в зависимости от размеров отверстия для электрода 11.

Проточные каналы имеют ширину 2 мм и глубину 1 мм. Такие размеры подобраны для снижения гидравлического сопротивления и обеспечения оптимального потока электролита через электрод, что также вносит вклад в повышение эффективности аккумулятора. Множества каналов на входе и на выходе из ячейки соединены общими каналами (на входе и на выходе соответственно) для увеличения электрического сопротивления ячейки.

Вышеупомянутые каналы ограничены от пространства ячейки рамкой 6 (рис. 5), вставляющейся в гнездо 15, находящееся по центру флоуфрейма.

Рамка – деталь толщиной 0.6 мм с уплотнительным контуром 21 толщиной 1 мм на расстоянии 5 мм от отверстия для электрода, по габаритам совпадающая с гнездом 15. Цель рамки – предотвратить попадание электролита через каналы куда-либо, кроме пористого электрода. Уплотнительный контур 21 необходим для ограничения зоны протекания электролита, прижима силиконовой прокладки к прилегающей полуячейке. Таким образом, рамка также удерживает мембрану между полуячейками и предотвращает протекание электролита между полуячейками.

Отверстие для электрода и гнездо для рамки окружены уплотнительным выступом 12 высотой 0.3 мм и шириной 1 мм, предназначенным для прижима силиконовой прокладки к прилежащей полуячейке и для дополнительного закрепления мембраны. Это упрощает процесс сборки электрохимической ячейки, минимизирует вероятность ошибок при монтаже и повышает надёжность конструкции в целом и помогает дополнительно герметизировать область протекания электролита и лучше отслеживать причины протечек при экспериментах.

С обратной стороны флоуфрейма (рис. 4) находятся два отверстия 16 диаметром 3-4 мм, предназначенные для входа и выхода электролита из ячейки. Выходные отверстия снабжены цилиндрами 17 высотой от 4 мм и с диаметром 7-9 мм с внутренним резьбовым соединением для присоединения фитинга-ёлочки для подключения шлангов, поверхность должна быть выровнена для хорошего прижима фитинга.

На обратной стороне предусмотрены установочное гнездо 18 для установки биполярной пластины 3 и гнездо 19 для установки медного токосъёмника 2. Данные гнёзда необходимы для выравнивания компонентов относительно остальной сборки. Такой подход позволяет избежать использования дополнительного крепежа и уменьшает размеры компонентов, удешевляя конструкцию.

Предусмотрено уплотнение 20 для прижима силиконовой прокладки и предотвращения утечек. Уплотнение 20 предназначено для плотного прижима флоуфрейма к биполярной пластине и предотвращения протечек между ними.

Исходя из размеров уплотнительных контуров, устанавливается допустимая точность производства в 0,05 мм.

Заявленное решение обеспечивает повышение эффективности и срока службы ванадиевого проточного аккумулятора. Данный эффект может быть достигнут посредством увеличения равномерности распределения электролита внутри ячейки, уменьшения протечек в ячейке, а также уменьшения влияния паразитических токов шунтирования. Указанный технический результат достигается за счёт особенностей конструкции флоуфрейма, которые оптимизируют распределение электролита, повышают герметичность и упрощают сборку.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Claims (5)

1. Флоуфрейм для электрохимической ячейки ванадиевого проточного аккумулятора, выполненный в виде пластины с центральным прямоугольным сквозным отверстием для размещения пористого электрода, отличающийся тем, что на лицевой поверхности пластины симметрично расположены проточные каналы для подачи и слива электролита, причём каналы для подачи соединены с отверстием для подачи через единый соединительный канал, а каналы для слива соединены с отверстием для слива через единый соединительный канал; на тыльной поверхности выполнены паз для размещения мембраны и уплотнительные пазы для силиконовой прокладки; при этом проточные каналы имеют ширину и глубину, обеспечивающие равномерное распределение электролита через электрод, а уплотнительные пазы интегрированы в конструкцию таким образом, что предотвращают протечки без использования дополнительных крепёжных элементов, причем на тыльной поверхности дополнительно выполнены установочное гнездо для установки биполярной пластины и установочное гнездо для установки медного токосъемника.

2. Флоуфрейм по п. 1, отличающийся тем, что на лицевой и тыльной поверхностях пластины выполнены дополнительные уплотнительные пазы для размещения силиконовой прокладки, повышающие герметичность сборки.

3. Флоуфрейм по п. 1, отличающийся тем, что в пазу для мембраны на тыльной поверхности пластины выполнен дополнительный уплотнительный паз для силиконовой прокладки, повышающий герметичность в зоне мембраны.

4. Флоуфрейм по п. 1, отличающийся тем, что на тыльной поверхности пластины выполнены цилиндрические выступы высотой не менее 4 мм и диаметром 7-9 мм с осевыми отверстиями диаметром 3-4 мм для подвода электролита.

5. Флоуфрейм по п. 1, отличающийся тем, что проточные каналы выполнены с шириной 2 мм и глубиной 1 мм, что обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и оптимизацию потока электролита.