ЯЧЕЙКА ПРОТОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА

Заявляемое техническое решение относится к области конструкционных элементов накопителей электрической энергии на базе проточных аккумуляторных батарей, представляющее из себя электрохимическую проточную ячейку уникальной конструкции.
Уровень техники. Проточные аккумуляторы являются отличным решением для долгосрочного хранения энергии на объектах альтернативного энергоснабжения или на ответственных объектах в качестве резервного источника питания. Для данных аккумуляторов очень важно создание проточных ячеек, в которых электролит будет беспрепятственно и равномерно протекать по объему электродного материала. Их принцип работы не только может быть положен в основу разработки ячейки большой мощности, но и может быть использован для тестирования электродных материалов проточных аккумуляторных батарей.
У разработанных на сегодняшний день конструкций имеется ряд недостатков: 1) неравномерность потока электролита по объему материала электрода, что снижает средний удельный ток и увеличивает потери мощности связанные с прокачкой электролита, а это в свою очередь приводит к уменьшению КПД батареи; 2) необходимость разделения материала электрода на длинные участки, где поток более равномерен, что приводит к снижению величины активной площади поверхности и делает конструкцию более громоздкой и более дорогой; 3) необходимость создания отдельных каналов для протекания электролита, в результате чего, электролит протекает не напрямую через материал электрода, а лишь контактирует с ним, что снижает скорость обновления внутри электродного материала ионов электролита и ограничивает толщину используемого электрода до 0,5 мм.
Известна конструкция ячейки (Patent US 9269982 В2, Н01М 8/248; Н01М 8/0248; Н01М 8/188. Flow cell stack / Saroj Kumar Sahu (US); Suresh Kumar Surapalan Nair (US); Imergy power systems, inc., Fremont, CA (US). Заявлено 13.01.2012; Опубл. 16.08.2012), в которой электролит протекает через объем электродного материала через одно входное центральное отверстие, это упрощает общую конструкцию ячейки и дает возможность создавать стеки с большим числом ячеек. Недостатком описанной конструкции является то, что равномерность протекания электролита очень низкая, сопровождается образованием застойных зон, что приводит к снижению удельного тока на 30-50% в зависимости от скорости протекания электролита и вида электродного материала.
Наиболее близким к заявленному решению является электрохимическая ячейка, описанная в Patent US 2012/0015264 A1, C2.5D 5/00, Н01М 4/90, Н01М 4/92. Electrochemical cell with catch tray/ Cody A. Friesen (US); Ramkumar Krishnan (US); Grant Friesen (US); Fluidic, Inc., Scottsdale, AZ (US). Заявлено 19.07.2010; Опубл. 19.07.2011, где поток разбивается на несколько отдельных каналов, в каждом из которых электролит протекает наиболее равномерно. Недостатком данной конструкции является наличие большой длины змеевидного канала, который увеличивает гидросопротивление всей системы, а также наличие перегородок, которые снижают активную площадь поверхности электрода и приводят к разбалансировке ячейки в каждом отдельном канале и, как следствие, снижают КПД аккумуляторной батареи и ее удельные характеристики.
Проведенный анализ современного состояния технических решений в области конструкций ячеек проточных аккумуляторных батарей позволяет заключить, что основными характеристиками разрабатываемой конструкции должны являться:
1) Равномерность потока электролита;
2) Конструкция ячейки должна давать возможность использовать различные электродные материалы;
3) Пористый углеродный электрод должен быть цельным;
Анализ результатов выполненного патентного поиска показал, что в отличие от заявляемого технического решения, конструкции, удовлетворяющие совокупности перечисленных выше составляющих (1-3), к настоящему моменту отсутствуют.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции проточной ячейки, которая создаст условия наиболее равномерного течения электролита по объему пористого углеродного электрода, что приведет к улучшению удельных характеристик, таких как плотность тока, величина необратимой емкости, стабильность при циклировании.
Поставленная задача решается за счет разработки специальной конструкции корпуса ячейки, в котором присутствуют 4 отверстия для втекания и вытекания электролита, таким образом, втекающий в ячейку поток электролита разбивается на 4 потока и направляется к торцевой поверхности углеродного электрода. Также входное и выходное отверстие для электролита находятся в противоположных углах корпуса ячейки, что уравновешивает перепад давления для правой и левой части электродного материала. Толщина внутреннего сменного корпуса ячейки выбирается в пределах 0,7-0,85 от толщины пористого углеродного электрода, что обеспечивает хороший прижим электрода (отсутствие полых областей) и не сильно повышает плотность материала для создания большого гидродинамического сопротивления. Таким образом, совокупность данных факторов обеспечивает равномерность потока электролита по объему электродного материала.
В роли токосъемника выступают пластины тантала высокой чистоты, толщиной 0,2-0,4 мм, т.к. данный материал обладает высокой химической стойкостью к электролиту в условиях изменения электродного потенциала в потенциальном окне 1,6 В, а в качестве материала корпуса ячейки использован фторопласт-4.
Конструкция ячейки проточного аккумулятора включает в себя:
1) фторопластовый корпус с отверстиями входа и выхода электролита, расположенными на противоположных углах ячейки, для компенсации перепада давления в правой и левой частях электрода;
2) сменный внутренний корпус, изготовленный из фторопласта, который дает возможность разбить поток электролита на 4 канала;
3) пористый углеродный электрод с пористостью не более 92%.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 изображен общий вид элементов проточной ячейки: 1 - внешний корпус проточной ячейки, 2 - танталовый токосъемник, 3 - пористый углеродный электрод, 4 - сменный внутренний корпус проточной ячейки, 5 - протонпроводящая мембрана.
Сменный внутренний корпус удерживает мембрану и ограничивает электродный материал.
Ячейка проточного аккумулятора работает следующим образом. Электролит протекает через отверстия входа и выхода на внешнем корпусе проточной ячейки 1. Через отверстия в танталовом токосъмнике 2 электролит протекает в сменный внутренний корпус проточной ячейки 4. Геометрия сменного внутреннего корпуса проточной ячейки 4 выполнена таким образом, что обеспечивает равномерную скорость протекания через поперечное сечение пористого углеродного электрода 3 благодаря наличию четырех каналов.
Таким образом, использование разработанной геометрии ячейки позволяет реализовать проточный аккумулятор с более высокими удельными характеристиками за счет равномерного течения электролита по объему пористого углеродного электрода.