Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Optimalizace procesu přípravy
elektrolytu pro vanadovou redoxní
průtočnou baterii
Autor Jiří Vrána
Školitel Juraj Kosek
Konzultanti Jaromír Pocedič a Petr Mazúr
Úspěšně obhájeno 2. 6. 2014 na Ústavu chemického inženýrství VŠCHT Praha
Stacionární ukládání energie
Vanadová redoxní průtočná baterie
Příprava elektrolytů
Konstrukce odlišných elektrolyzérů
Univerzální monitorovací systém
Optimalizace systému
Modifikace elektrod
Shrnutí výsledků a cíle
Probíhající stavba pilotní jednotky
2
Alternativní zdroje energie
• Proměnný výkon
• Dodávka nekopíruje poptávku
• Kolísání ceny
Přenosová soustava
• Pomalá modernizace
• Snaha zefektivnit přenos elektřiny
Nárůst spotřeby elektřiny
Zdroj: Curtright, Progres Photovoltaic
Jednoduchá „chytrá síť“
Sp
otř
eb
a e
l. e
n.
[GW
] Vý
ko
n s
olá
rní e
l. [GW
]
Solární elektrárna9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 4 8 12 16 20 24
Denní doba [h]
0
3
V2+
V3+
VO2+
VO2+
Záporný
elektrolyt
(anolyt)
Kladný
elektrolyt
(katolyt)
Čerpadla
Iontově
výměnná
membrána
Svazek baterie v elektrickém
obvodu
Vanadová redoxní průtočná baterie
VO2+ + 2 H+ + V2+ VO2+ + H2O + V3+
nabíjení
vybíjení
VO2+VO2+V3+ V2+
II III IV V
4
Účinnost
Regulovatelnost
Spolehlivost
Elektrolyty
Vyvinutá cela
Experimentální systém pro přípravu elektrolytů
5
Rozpouštění: oxid vanadičný
Následné redukce:
je možno izolovat 5, 4, 3 i 2 mocné
sírany vanadu
Vedlejší reakce na katodě:
vývin vodíku (nežádoucí)
Protireakce na anodě:
vývin kyslíku
Parametry systému:
Kapacita: litry/den
Vsádkově i průtočně
Monitorování kvality99,7 % V2O5
H2SO4
VIV, VIII,
VII
O2
VV
Trubkový elektrolyzér: elektrody koaxiálně
Odlišnost koaxiálního uspořádání:
Proudové hustoty na katodě
nižší než na anodě
Ti/Pt
anoda
Anolyt
Katolyt
Stř
ed s
ym
etr
ie
Anoda
Ti/PtVyztužená
iontově-výměnná
membrána
Katoda
(uhlíková
plsť)Vnější
plášť
Anodový
prostorKatodový
prostor
Geometrie
Čerpadla
Zdroj
Nádrže
Pojistná
nádoba
Elektrolyzér
Spektrometrická
cela
Plocha
membrány:
225 cm2
Objem
katodového
prostoru:
1,0 dm3
Celková délka:
85 cm
6
Deskový elektrolyzér: elektrody planparalelně
ČerpadlaNádrže Elektrolyzér
Spektrometrická
cela
Konduktometrická
cela
Plocha
membrány:
225 cm2
7
H2SO4
VV
O2
VIV
VIII
VII
Objem katodového
prostoru:
0,18 dm3
Monitorování napětí na elektrolyzéru
8
VIV
Napětí [
V]
Čas [h]
koaxiální
planparalelní
Parametry:
Průtok 0,20 dm3/min
Koncentrace složek
Vanad(V) 0,4 mol/l
H2SO4 3 mol/l
Objem 2 l
Proud [A]
3
6
9
Vyšší odpor systému
Fluktuace
(zaplyňování anody)
Určení času redukce
VV → VIV
Iontová vodivost redukovaného elektrolytu
9
Odlišná vodivost
jednotlivých síranů
vanadu
Změna koncentrace
H+ v průběhu redukce
Levná robustní metoda
Nutno optimalizovat
pozici sondy
VV
VIV
VIII
VII
Vývin
vodíku
Fluktuace: bubliny nebo částice mezi elektrodami
Vodiv
ost
[mS
/cm
]
Čas [h]
Proud [A]
9
16
(Planparalelní systém s tepelně upravenou katodou)
Spektroskopie redukovaného elektrolytu
Čas [h]
Vln
ová d
élk
a[n
m]
Absorb
ance [
]
VV VIV VIII VII
,
,
,
,
(Elektrolýza v koaxiálním systému při proudu 6 A)
Elektrolyty jsou různě barevné
Odlišná absorpční
maxima jednotlivých
síranů vanadu
Měření ve viditelné
a přilehlé UV a IR
oblasti
Vyvinuta vlastní
průtočná kyveta
Nutnost pořízení
spektrofotometru
Velmi přesná kvantitativní
analýza10
vanad(V) → vanad(IV)
0
20
40
60
80
100
3 6 9
Proud [A] Proud [A]
Účin
nost
[%]
0
20
40
60
80
100
3 6 9
Účin
nost
[%]
Uspořádání
■ Trubkové
■ Deskové
vanad(IV) → vanad(III)
Účinnost redukce
c
r
Q
Q
Teoretický
náboj
Spotřebovaný
náboj
Planparalelní systém výhodnější
Celkově vyšší účinnost
Snadná údržba
Ale problém s účinností! 11
Tepelná modifikace uhlíkové plsti
Vývin vodíku
Snadné určení
změn ve složení
Napětí [
V]
Čas [h]
,
,
VII
VV VIV VIII
Elektrolýza při 9 A v planparalelním
elektrolyzéru s uhlíkovou plstí
tepelně modifikovanou
neupravovanou
Modifikace plsti
v pícce:
Teplota 400 °C
Doba zahřívání 30 h
Atmosféra vzduch
Vznik C‒O a C=O skupin
na povrchu uhlíkové plsti
Zlepšení elektrodové kinetiky
(ověřeno cyklickou
voltametrií) Dosaženo účinnosti 99,9 % ve všech fázích redukce.12
Motivace vývoje:
Kapacita: 80 l/den
Elektrolyt „na míru“
Vysoká poptávka
Vlastní baterie
Zvětšování měřítka – pilotní jednotka
Nádrž
na produkt
Nádrže
na elektrolyty
dané vsádky
ElektrolyzérTemperace
Zvětšování měřítka – pilotní jednotka
13
Příprava elektrolytů do VRPB
Cíle
Dlouhodobé testy
Příprava elektrolytů(≈ 100 l)
Vývoj poloprovozní jednotky
Výsle
dky
Laboratorní testovací VRPB
Návrh a konstrukce elektrolyzérů
Vývoj monitorovacího systému
Měření charakteristik elektrolyzérů
Optimalizace systému
14