CC BY
0Единичная ячейка водородно-ванадиевого накопителя электроэнергии с
высокой мощностью разряда
О.И.Истакова1,2, Д.В.Конев1,2, М.С.Красикова\ Е.А.Рубан1,2, М.А.Воротынцев2
1ФИЦПХФ и МХРАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., проспект Академика
Семенова, д.1
2ИФХЭ РАН, 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 31, корп. 4
Single cell Hydrogen-Vanadium energy storage device of high specific
discharge power
O.I.Istakova1,2, D.V.Konev1,2, M.S.Krasikova2, E.A.Ruban1,2, M.A.Vorotyntsev2
1FRC PCP MC RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region, Academician Semenov, 1 2IPCERAS, 119071, Moscow, Leninsky Prospekt, 31, building 4
e-mail: oistakova@gmail.com DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.62
В связи с неизбежным увеличением доли возобновляемых источников энергии периодического действия в энергосистемах любого уровня все большую актуальность приобретает проблема накопления, хранения и воспроизводства больших количеств электроэнергии. Очевидно, что наибольшей экономической эффективности ее решения можно достичь только с использованием устройств, основные показатели которых -мощность и энергоемкость - можно легко варьировать под каждый конкретный объект энергосистемы в зависимости от его потребностей. Такую возможность предоставляют перезаряжаемые химические источники тока с жидкими электроактивными компонентами - проточные редокс-батареи (ПРБ), поскольку объем энергозапаса (емкость) и габариты реактора, осуществляющего его конверсию в электроэнергию (мощность) не связаны в один функциональный узел в отличие от аккумуляторов с твердыми реагентами - от литий-ионных до свинцово-кислотных. Наиболее технологически зрелой на данный момент является ванадиевая ПРБ (ВПРБ), на ее основе в ряде стран запущены станции мегаваттного класса. Однако, несмотря на принципиальное вышеуказанное и ряд других преимуществ ВПРБ для стационарного накопления электроэнергии перед конкурентными технологиями с использованием литий-ионных (и других) аккумуляторов, их экономическая эффективность остается соизмеримой, в основном из-за высокой стоимости ванадиевого сырья для производства электролита, а также сложности технологии его очистки от примесей, снижающих функциональные показатели ВПРБ.
Оба ограничения можно преодолеть, используя соединения ванадия только на одном из электродов токогенерирующего узла - на положительном - тогда как отрицательный будет функционировать за счет реакции окисления/выделения газообразного водорода в процессе выработки/накопления электроэнергии. В этом случае количество ванадия в расчете на 1 кВт-ч хранимой энергии, уменьшается вдвое, проблема перекрестного проникновения электроактивных компонентов положительного и отрицательного электролитов полностью устраняется за счет их различного фазового состояния, а требования к чистоте ванадиевого сырья по отношению к компонентам, увеличивающим паразитный процесс выделения водорода на отрицательном электроде традиционной ВПРБ, можно существенно понизить, поскольку этот процесс становится целевым. Таким образом, мембранно-электродный блок водородно-ванадиевой проточной батареи
(ВВПБ) представляет собой гибрид газодиффузионного анода водородно-воздушного топливного элемента (ТЭ) и катода ВПРБ, работающего за счет циркуляции сернокислого раствора солей ванадия в степени окисления +4 и +5 через пористый углеродный материал. Концепция ВВПБ была предложена ранее (2013 г.) [1] в качестве альтернативы ВПРБ для решения задач накопления/воспроизводства электроэнергии в накопителях большой емкости, однако ее практическая реализация до настоящего времени ограничена единичными ячейками с активной площадью не более нескольких десятков см2.
Целью настоящей работы являлись выявление и минимизация факторов, ограничивающих удельную мощность разряда такого гибрида - по этому показателю ВВПБ уступают как водородно-воздушным ТЭ, так и ВПРБ, несмотря на сочетание их более обратимых полуэлементов. Объектом исследования выступала ячейка с мембранно-электродным блоком 2см х 2см ((Pt-C)H2|Nafion|VO2+(Q), оснащенная капилляром Луггина со стороны ванадиевого электролита. С использованием шестиэлектродной схемы подключения ячейки выполнены измерения вольтамперных характеристик, включая поляризации отдельных полуэлементов при варьировании скорости циркуляции ванадиевого электролита и материала катода (углеродные войлоки толщиной 4.6 и 2.5 мм, а также углеродная бумага).
В результате было установлено, что вклад водородного газодиффузионного электрода в полное сопротивление ячейки ВВПБ постоянному току вдвое превышает таковой для проточного ванадиевого катода. В работе получена рекордно высокая удельная мощность разряда: 0.75 Вт/см2, при этом в качестве материала катода использован коммерчески доступный материал - углеродный войлок Sigracell GFD 2.5 EA без дополнительной модификации поверхности [2].
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект 23-23-00555.
Литература
[1] V. Yufit, B. Hale, M. Matian, P. Mazur, N.P. Drandon, “Development of a regenerative hydrogen-vanadium fuel cell for energy storage applications.”, J. Electrochem. Soc, vol. 160, № 6, pp. A856-A861 (2013).
[2] O.I. Istakova, D.V. Konev, D.O. Tolstel, E.A. Ruban, M.S. Krasikova, M.A. Vorotyntsev, “Single Cell Hydrogen-Vanadium Flow Battery of High Specific Discharge Power.”, Rus. J. Electrochem. (2024).
