Доработка прототипа исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности

Отчёт 237 с., 3 ч., 45 рис., 4 табл., 9 прил. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА, АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ, ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ИСТОЧНИКИ, ПРОТОЧНАЯ РЕДОКС-БАТАРЕЯ, ВАНАДИЙ, РЕДОКС-ПАРА, ЭЛЕКТРОХИМИЯ, СТЕК, МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК Цель работы согласно договору (соглашению) №3698ГС2/45413 от 28 сентября 2020 г. «Доработка прототипа исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности»: 1) разработать батарею мембранно-электродных блоков – стек; 2) собрать модельную ячейку (содержащую один мембранно-электродный блок от разработанной батареи) и протестировать её с контролем показателей величин шунтирующего тока, пиковой мощности разряда, КПД по заряду, энергии и мощности; 3) собрать разработанный насосный модуль для подачи электролитов; 4) разработать и собрать монтажную плиту с резервуарами под электролит; 5) изготовить высокоэнергоёмкие химические реагенты для проведения испытаний доработанного прототипа исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности; 6) собрать доработанный прототип; 7) разработать программу и методики испытаний доработанного прототипа; 8) модернизировать графитовые токопроводящие материалы для повышения их прочностных и барьерных свойств. 9) провести лабораторный анализа изготовленных химических реагентов на предмет соответствия заданным концентрациям активных веществ; 10) провести испытания прототипа по части отработки режимов прокачки электролита; 11) провести испытания прототипа по части отработки режима работы стека; 12) провести испытания прототипа по части минимизации величины шунтирущих токов; 13) провести испытания прототипа по части минимизации эффекта кроссовера; 14) оптимизировать конструкцию прототипа в соответствии с данными, полученными при тестировании; 15) повторно протестировать оптимизированный прототип; 16) составить протоколы испытаний прототипа. Результаты работы отражают полноценное достижение поставленных целей: 1) разработана батарея мембранно-электродных блоков – стек; 2) собрана модельная ячейка (содержащая один мембранно-электродный блок от разработанной батареи) и протестирована с контролем показателей величин шунтирующего тока, пиковой мощности разряда, КПД по заряду, энергии и мощности; 3) собран разработанный насосный модуль для подачи электролитов; 4) разработана и собрана монтажная плита с резервуарами под электролит; 5) изготовлены высокоэнергоёмкие химические реагенты для проведения испытаний доработанного прототипа исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности; 6) собран доработанный прототип; 7) разработаны программа и методики испытаний доработанного прототипа; 8) модернизированы графитовые токопроводящие материалы для повышения их прочностных и барьерных свойств. 9) проведен лабораторный анализ изготовленных химических реагентов на предмет соответствия заданным концентрациям активных веществ; 10) проведены испытания прототипа по части отработки режимов прокачки электролита; 11) проведены испытания прототипа по части отработки режима работы стека; 12) проведены испытания прототипа по части минимизации величины шунтирущих токов; 13) проведены испытания прототипа по части минимизации эффекта кроссовера; 14) оптимизирована конструкция прототипа в соответствии с данными, полученными при тестировании; 15) повторно протестирован оптимизированный прототип; 16) составлены протоколы испытаний прототипа. В ходе выполнения работ никаких проблем, которые, так или иначе, могли бы помешать достижению поставленных целей, не было выявлено. Полученный результат может быть применим в области прикладной электрохимии, электрохимических источниках тока, приборах для запасания, хранения и воспроизводства электроэнергии, стационарных источниках энергии, а также в образовательных целях. Согласно проведённому аналитическому исследованию, удельная стоимость энергии ПРБ для различных производителей и различных кейсов колеблется в следующих пределах: от 209 $/КВт*ч до 413 $/КВт*ч для сглаживания пиковых нагрузок на предприятиях; от 273 $/КВт*ч до 406 $/КВт*ч для энергообеспечения изолированных систем; и от 184 $/КВт*ч до 338 $/КВт*ч для систем управления распределенными накопителями. Удельная стоимость же разработанного прототипа, лежит в интервале от 205 $/МВт*ч до 275 $/МВт*ч. Таким образом, даже без внесения корректировки на текущие цены ванадия и антрахинондисульфокислоты, разработанный прототип соответствует лучшим коммерческим образцам. В рамках прогнозного предположения о развитии объекта исследования можно сказать следующее: электрохимические источники тока, ПРБ, в частности, под тестирование которых заточен разработанный прототип, находят всё новые ниши применения и востребованность в модернизации их устройства и эффективности превращения химической энергии в электрическую будет неуклонно расти с каждым годом. Не каждой стране нужна такая система, так как многие страны Мира, включая РФ, обладают достаточными запасами нефти и газа, обеспечивающие нужны энергетического комплекса и на которых строится их экономика. Но времена меняются, а с ними приходится прибегать к новым способам получения ресурсов, в том числе и энергетических. Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики разработанного прототипа: - доработанный прототип предназначен для проведения испытаний и тестирования батареи мембранно-электродных блоков (стека); - сопротивление батареи МЭБ (стека) – не боле 1,5 Ом; - количество мембранно-электродных блоков, последовательно соединенных в батарею – не более 10; - напряжение разомкнутой цепи на единичном МЭБ для полностью заряженных электролитов – не более 1.8 В; скорость протока электролита - не более 1200 мл/мин; - общий объем электролита в двух резервуарах – не более 3200 мл; - номинальная мощность разряда батареи МЭБ (стека) – не более 30 Вт; - номинальная мощность заряда батареи МЭБ (стека) – не более 40 Вт. Реализованы такие входные воздействия, как: - приготовление электролита и залив в резервуары под электролит; - подключение внешней нагрузки для проведения тестирования и испытаний батареи мембранно-электродных блоков (стека). Реализованы такие выходные реакции, как: - при подключении к внешнему потребителю возможно обеспечение его электропитанием за счет накопленной химической энергии окислителя и восстановителя в составе электролитов. Структурное деление продукции соответствует следующему перечню: - насосный модуль; - монтажная плита с резервуарами под электролит; - батарея мембранно-электродных блоков (стек). Доработанный прототип соответствует следующим массогабаритным параметрам: - масса собранного доработанного испытательного стенда (без электролита) 1,5-5 кг; - габариты собранного доработанного испытательного стенда: длина 300 мм (+-40 мм), ширина 160 (+- 30 мм), высота 400 мм (+- 30 мм). Условия эксплуатации: - работа с прототипом в лабораторных помещениях. Рекомендации по внедрению результатов НИОКР: полученный результат, – доработанный прототип исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности, может быть применим в области прикладной электрохимии, лабораториях и научных подразделениях при энергетических компаниях, как частных, так и государственных, чья деятельность напрямую связана с распределённой энергетикой, в качестве научно-исследовательского и учебного оборудования в образовательных целях. В рамках выполнения НИОКР «Доработка прототипа исследовательского лабораторного стенда для тестирования новых типов электрохимических источников тока по показателям мощности, энергоёмкости и долговечности» была подана заявка на патент на полезную модель «Функциональный макет для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи» (заявка №2021130111 от 15.10.2021) на втором (заключительном) этапе работ. Поставленные Техническим заданием цели достигнуты. Работы выполнены в полном объёме в соответствии с Календарным планом.