סוללת זרימת חיזור ונדיום, המסוגלת לאגור מגה וואט-שעות של אנרגיה מתחדשת, מסתמכת על מיכלים גדולים של אלקטרוליט חומצה גופרתית. אלקטרוליט זה מתפקד בצורה הטובה ביותר כאשר הוא נשמר בטמפרטורה יציבה וחמה-אבל הנוזל החומצי המחמצן הוא מאכל מאוד. מחמם טבילה PTFE הוא אחת הטכנולוגיות הבודדות שיכולות לחמם אותו בבטחה, מבלי לשחרר יוני מתכת שירעילו את כימיה הסוללה.
מדוע אלקטרוליטים של סוללות Redox Flow דורשים ניהול תרמי
היעילות האלקטרוכימית והצמיגות של אלקטרוליטים של סוללת זרימת חיזור (RFB) תלויות מאוד בטמפרטורה. עבור הכימיה הנפוצה ביותר-ונדיום בחומצה גופרתית מעורבת-טווח הפעולה האופטימלי הוא בדרך כלל20-40 מעלות. בתוך חלון זה, יוני ונדיום נשארים יציבים, מוליכות הממברנה גבוהה וההתנגדות הפנימית ממוזערת. מחוץ לטווח זה, מופיעות מספר בעיות:
טמפרטורות נמוכותלהגביר את צמיגות האלקטרוליטים, להעלות את הפסדי השאיבה ולהפחית את קינטיקה של התגובה. באקלים קר, מפעלי אגירת אנרגיה נייחים עשויים לדרוש חימום מוקדם לפני שהסוללה תוכל להתחיל או לפעול ביעילות.
טמפרטורות גבוהותלהאיץ תגובות לוואי (כגון משקעי ונדיום או התפתחות מימן) ולפורר חומרי ממברנה. במהלך הפעולה, תגובות מטען/פריקה אקסותרמיות יוצרות חום שלעיתים יש לאזן אותו כדי למנוע התחממות יתר.
לולאת קירור פסיבית לבדה אינה מספיקה כאשר טמפרטורות הסביבה נמוכות או כאשר הסוללה נמצאת במתחם לא מחומם. יש צורך בחימום אקטיבי-ויש לספק את החימום הזה מבלי לפגוע בטוהר האלקטרוליטים.
תפקידו של מחמם PTFE בPTFE Heater Redox Flow סוללת אלקטרוליטהִתחַמְמוּת
מחמם טבילה חשמלי PTFE, המוכנס ישירות למיכל האלקטרוליט, מספק חום עקבי בצפיפות וואט נמוכה, שומר על טמפרטורה אחידה על פני הנפח הגדול של האלקטרוליט המאוחסן. יתרונות העיצוב של PTFE עבור יישום זה הם קריטיים.
אינרטיות כימית לאלקטרוליטים אגרסיביים
מעטפת ה-PTFE אטומה לסביבה המחמצנת ביותר בתוך מיכל סוללת זרימה. ונדיום פנטאוקסיד (V₂O₅) בתמיסה חומצית, כמו גם קומפלקסים של ברום בסוללות זרימת אבץ-ברום, יתקפו במהירות פלדת אל חלד, טיטניום, או אפילו פלסטיקים רבים. PTFE לא מושפע. הוא אינו מראה נפיחות, סדקים או שטיפה לאורך שנים של טבילה מתמשכת.
שחרור אפס מתכת יון
זיהום יון מתכת הוא מצב כשל קטלני עבור סוללות זרימת חיזור. אפילו כמויות עקבות של ברזל, נחושת או ניקל עלולות להתפשט על אלקטרודות הלבד הפחמן, לזרז תגובות חיזור לא רצויות ולהפחית לצמיתות את היעילות הקולומבית. מחמם PTFE משתחררללא מתכות לחלוטיןלתוך האלקטרוליט. גוף החימום (בדרך כלל סגסוגת ניקל-כרום או חוט התנגדות דומה) מוקף במלואו בתוך מעיל ה-PTFE, ללא משטחים מוליכים חשופים. כל יון תועה מתנור חימום פגום בלתי אפשרי-בתנאי שמעטפת ה-PTFE נשארת שלמה.
תצורות: טבילה ישירה או מחזור
בפועל, ניתן לפרוס מחמם PTFE בשתי דרכים נפוצות:
מוט טבילה ישירה- מוטות חימום בודדים או מרובים בעלי מעטפת PTFE מורידים לתוך מיכל האלקטרוליט הראשי, לעתים קרובות דרך תושבת אוגן על מכסה המיכל. זה פשוט, חסכוני ומציב את החום בדיוק במקום הדרוש לו.
לולאת מחזור מחדש בשורה– זרם צד של אלקטרוליט נשאב דרך כלי חימום חיצוני קטן המכיל מחממי טבילה PTFE, ואז מוחזר למיכל הראשי. שיטה זו מאפשרת בקרת טמפרטורה מדויקת יותר ומונעת כל חסימה בתוך המיכל הראשי.
שתי התצורות חייבות להארקה חשמלית את מעטפת המחמם כדי למנוע זרמים תועים מערימת הסוללה להפריע לפעולת המחמם או לשתות רכיבים סמוכים.
הערת מערכת: הפרדת ספק כוח כדי למנוע לולאות הארקה
ספק כוח ה-AC של המחמם חייב להיות מבודד חשמלי מאפיק ה-DC של הסוללה. טעות נפוצה היא לחלוק התייחסות לאדמה בין מערכת בקרת המחמם לערימת הסוללות, מה שעלול ליצור לולאות הארקה או זרמים תועים שמשבשים את איזון הסוללה. מומלץ שנאי בידוד ייעודי או בקר חימום עם יציאות צפות מלאות. בנוסף, נדן המחמם PTFE צריך להיות מחובר לאדמה המגוננת של המפעל ללא תלות בקרקע הסוללה.
תאימות טכנית לכימיה של ונדיום ואבץ-ברום
סוללת זרימת חיזור ונדיום (VRFB)– האלקטרוליט הוא בדרך כלל 1.5-2.5 M VOSO₄ ב-2-4 M H₂SO4. PTFE תואם באופן מלא עם תמיסות פנטאוקסיד ונדיום וחומצה גופרתית מעורבת בכל טווח 20-40 מעלות, ואפילו עד 50 מעלות לטיולים קצרים.
סוללת זרימת אבץ-ברום– האלקטרוליט מכיל ZnBr₂ עם חומרי קומפלקס. ברום אגרסיבי ביותר לרוב המתכות ולפלסטיקים רבים. PTFE מתנגד הן לסביבת הברומיד החומצית והן לאדי הברום החופשיים בחלל הראש של המיכל.
במפעל נייח לאגירת אנרגיה, יעילות הסוללה תלויה ביציבות תרמית. טמפרטורת אלקטרוליט עקבית מבטיחה התנהגות מטען/פריקה ניתנת לשחזור, מונעת משקעים של מינים פעילים ומאריכה את חיי הממברנה. מחמם PTFE מספק את היציבות הזו ללא כל סיכון לזהם את עצם הכימיה שהוא נועד לתמוך בו.
מסקנה: הפעלת אחסון רשת אמין עם בחירת חומרים מתקדמת
מחממי PTFE הם התאמה מושלמת לניהול התרמי של אלקטרוליטים קורוזיבי ורגיש לטוהר הנדרש בסוללות זרימה גדולה. על ידי שמירה על חלון הטמפרטורה האופטימלי הצר מבלי להחדיר יוני מתכת או פירוק בחומצה, מחממים אלו תומכים במעבר הרשת לאנרגיה מתחדשת. ככל שערימות הסוללות גדלות ממגה וואט לקנה מידה של ג'יגה וואט, הביקוש לחימום אמין ולא מזהם רק יגדל. טכנולוגיות נקיות מתקדמות דורשות לעתים קרובות את החומרים המתקדמים ביותר-ועבור אלקטרוליטים חומציים חמים, PTFE נשאר הרף.
