Електрохімічний акумулятор для накопичувачів енергії

Електрохімічний акумулятор для накопичувачів енергії, що складається з графітового катода, залізного анода, розділених аніонообмінною мембраною, та електроліту, який відрізняється тим, що як анод використовують просічну пластину з заліза - це дає змогу значно збільшити площу анода, а для збільшення електропровідності електролітів до них додають 5-10 вагових % кухонної солі (NaCl). Корисна модель відноситься до області виготовлення електрохімічних акумуляторів для накопичувачів енергії, зокрема на основі сполук заліза, і може використовуватись в енергетичній та машинобудівній промисловості. Запропонована розробка може бути використана при виготовлені відновлювальних джерел струму для екологічно безпечних і недорогих електрохімічних накопичувачів поновленої енергії сонця, вітру та інших джерел енергії нерегульованої або періодичної дії. Досягнутий рівень технологій в галузі виготовлення джерел струму характеризується наступними винаходами. Відомий «Спосіб виготовлення хімічних джерел струму окислювально-відновлювальної дії на основі ванадію», по патенту Австралії № 575247, опубл. в 1986 р. МПК Н01М 8/04. Окислювальновідновлювальний електрохімічний акумулятор на основі ванадію має питому енергію 10-20 Вт.г/кг, та довговічність роботи 10-20 років. Напруга такого акумулятора складає 1,15-1,5 В. В якості електроліту використовується сірчана кислота (H2SO4). Недоліком відомого способу є велика ціна ванадію, а також те, що токсичні сполуки ванадію і сірчаної кислоти негативно впливають на здоров'я людини і навколишнє середовище. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі (найближчий аналог )є «Спосіб виготовлення хімічних джерел струму окислювальновідновленої дії на основі брому та хрому», по патенту Японії № 55096569, опубл. в 1979 р. МПК Н01М 8/04. Згідно цього способу виготовляється електрохімічний акумулятор з електрохімічною системою Fe /Fe - Cr /Cr . Акумулятор складається з двох пористих графітових електродів, розділених аніонообмінною мембраною, яка перешкоджає прямій взаємодії компонентів - католіта і аноліта. 3+ 2+ Система Fe /Fe має високу зворотність, тому поляризація на позитивному електроді відносно невелика і має в основному дифузійну природу. Швидкість реакції на негативному електроді значно менше, ніж на позитивному, тому рекомендується застосовувати каталізатори: карбід цирконію, вісмуту, сплав свинець-золото (золота до 0,25 2 г/м ). Католітом є розчин хлорида заліза (FeCl3) і соляної кислоти (НСl), концентрація яких в заряженому стані дорівнює 1,7 моль/л FeCl3 і 4 моль/л НС1. Анолітом використовується розчин 1,5 М СгСl2 і 4 М НСl. Робоча температура складає 4060°С. Акумуляторна установка складається з батареї акумуляторів, контуру циркуляції, баків для зберігання реагентів, системи контролю та автоматики. Питома енергія електрохімічного акумулятора складає 20-30 Вт.г/кг. Ресурс роботи 500 циклів. Недоліком відомого способу є токсичність і агресивність таких реагентів як бром і соляна кислота, висока ціна каталізаторів, необхідність складних технологічних пристроїв для здійснення циркуляції соляної кислоти та герметизації всієї системи. Задачею на рішення якої спрямована запропонована корисна модель, є створення електрохімічного акумулятора з високими електрохімічними характеристиками, невеликою вартістю та нешкід 60596 (13) U 3+ (11) 2+ UA 2+ (19) 3+ 3 ливого для навколишнього середовища і здоров'я людини. Дана задача вирішується способом виготовлення електрохімічного акумулятора для накопичувачів енергії, що складається з графітового катода, залізного анода, розділених аніонообмінною мембраною та електроліту, який відрізняється тим, що як анод використовують просічну пластину з заліза - це дає змогу значно збільшити площу анода, а для підвищення електропровідності електролітів до них додають 5-10 вагових % кухонної солі (NaCl). Енергія сонця, вітру та інших нетрадиційних постачальників енергії перетворюється в електричний струм та подається до споживачів. Зайва електроенергія потрапляє до накопичувача (акумулятора) і може використовуватись при відсутності постачання енергії (відсутності сонячного світла, вітру та ін.). На фіг. відображена схема виготовлення такого акумулятора, який складається з корпусу 1, в якому розташовані анод (2) і катод (3), що розділені між собою аніонообмінною мембраною МА-40 (4). Анод має вигляд просіченої пластини і виготовлений із заліза. Розмір просічок значно менший товщини пластини. За рахунок зроблених просічок поверхня анода збільшується в декілька разів, що дозволяє збільшити величину отриманого струму. Катод (3) виготовлений з графіту у вигляді пластини. Мембрана МА-40 також розділяє корпус акумулятора на дві рівні ємності. Ємність біля аноду заповнюється аналітом FeCl2 (5), ємність біля катоду заповнюється каталітом FeCl3 (6), а для підвищення електропровідності цих розчинів додають 5-10 вагових % кухонної солі (NaCl). Запропонована електрохімічна система акумулятора має вигляд: 3+ 2+ 2+ + (катод) С / Fe , Fe ,Сl // МА-40 Сl // Fe , Сl / Fe (анод) Циклічні дослідження (заряд-розряд) розроблених акумуляторів свідчать про те, що при заряді акумулятора струмом 20 мА на протязі 500 циклів напруга становить 1,5 В, а при розряді акумулятора струмом 40 мА напруга на акумуляторі не змінюється і становить 0,85 В, що свідчить про стабільність роботи розроблених акумуляторів. Виконана оцінка об'ємних характеристик розробленого акумулятора потужністю 1 кВт. Кількість 60596 4 елементів в батареї - 20, площа електродів в еле2 ктрохімічному акумуляторі - 10000 см , напруга 20 В, струм - 50 А. Електрохімічна характеристика 3 такого акумулятора складає 3,3 кВт ч/м , що дає можливість збільшити електрохімічні параметри акумулятора, так як величина цього параметру для існуючих редокс-акумуляторів на основі хрому та кислотного електроліту (НСl) є значно нижчою і 3 складає 2,5 кВт ч/м . Які анодний матеріал використовували просічну залізну пластину, що збільшує загальну поверхню аноду (розмір просічок значно менший товщини аноду). Розмір залізного аноду становив 40×50 2 см . Як катод використовують технічний графіт (пластина з графіту 40×50 мм, товщина 5 мм). Для відділення анодного та катодного простору використовували аніонну мембрану МА-40. Товщина мембрани - 0,5 мм. Мембрану на протязі 24 годин витримували в розчині солі NaCl - 10 ваг. %. Після збору модельної конструкції акумулятора проводили електрохімічні дослідження. Напруга акумулятора складала 1,5 В. Досліджені вольтамперні характеристики розробленого акумулятора та проведені циклічні дослідження. Струм заряду складав 20 мА, а розряду 40 мА. Термін заряду 1 година, а розряду 0,5 години. Як видно із приведених даних, переваги запропонованого способу виготовлення електрохімічних акумуляторів значно (у 1,5 рази) підвищують електрохімічні характеристики рекомендованих акумуляторів. Крім цього, запропонований спосіб значно спрощує технологію виготовлення таких джерел струму, оскільки в якості електроліту використовується сольовий електроліт на основі NaCl. Використання в даній електрохімічній системі сольового електроліту дає можливість не тільки підвищити електрохімічні характеристики акумулятора, а також зробити його безпечним як для людського здоров'я, так і для навколишнього середовища. Приймаючи до уваги вартість анодів з заліза до анодів з ванадію, хрому, брому, а також сольових та кислотних електролітів можна стверджувати про найменшу вартість запропонованого способу виготовлення електрохімічного акумулятора. 5 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 60596 6 Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601