Вы находитесь на обзоре сборки элементов ванадиевой проточной батареи мощностью 30 кВт. Каркас подвергается механической обработке, и партия электродного фетра имеет размер от 4,1 до 5,0 мм на 52 листа. Последней переменной является пластина поля потока: гибкий графитовый композит, который деформируется при зажиме, или жесткая пластина из углеродного полимера, сохраняющая свою геометрию. Неправильный выбор может повысить сопротивление контактов на 18 % и сохранить плотность тока батареи ниже номинальной. Ответ зависит от плоскостности корпуса, допуска на толщину электрода и от того, сколько мощности накачки вы готовы потратить.
Чем отличаются механически гибкие и жесткие пластины поля потока
Оба типа пластин проводят ток, распределяют электролит и поддерживают электрод против силы удара. Они различаются модулем упругости и тем, как они реагируют на изменение толщины.
Гибкая пластина поля потока представляет собой совместимый лист углеродно-графитового композита, который упруго деформируется при сжатии стопки, чтобы обеспечить допуск по толщине электрода. Жесткая пластина поля потока представляет собой жесткий формованный композит, который сохраняет геометрию канала при одинаковой нагрузке.
Гибкую пластину обычно изготавливают из ориентированно-графитовой фольги с полимерным связующим. Его модуль упругости составляет от 8 до 15 ГПа, поэтому он ведет себя как сжимаемый лист. Жесткая пластина отливается из углепластика с модулем упругости от 30 до 50 ГПа. Он ведет себя как структурный элемент.
Практический результат: гибкие пластины допускают изменение толщины электрода на ~0,5 мм; жесткие пластины всего около /-0,1 мм. Но жесткие пластины удерживают поперечное сечение канала от закрытия при сжатии. Это единственное отличие определяет большинство остальных компромиссов. См. что такое пластина с жестким каналом потока чтобы более подробно понять конструкцию жесткого варианта.
Канальная пластина с жестким потоком Плиты из чистого углеродного материала высокой твердости изготавливаются путем связывания смол, многократного прессования под высоким давлением, пропитки и других процессов асфальтового кокса и нефтяной промышленности. Посмотреть продукт → Контактное сопротивление и сбор тока
Гибкие пластины обеспечивают более низкое начальное контактное сопротивление при том же крутящем моменте; жесткие пластины сохраняют контактное сопротивление более стабильным после термоциклирования. Контактное сопротивление между углеродной пластиной и углеродным войлоком зависит от нагрузки, умноженной на площадь контакта. Гибкая пластина распределяет нагрузку ребер на большее количество прядей фетра.
В ходе одного испытания стопки площадью 0,4 м^2 гибкая пластина с ребрами диаметром 1,5 мм достигла сопротивления 28 мОм-см^2 при 9 Н/см^2. Жесткой пластине потребовались ребра диаметром 2,0 мм, чтобы достичь сопротивления 32 мОм-см^2. После 800 термоциклов от 20 до 55°С жесткая пластина сохранила 95% своего первоначального контактного сопротивления; гибкая пластина упала до 85%.
28 МОм-см^2 Начальное контактное сопротивление гибкой пластины при 9 Н/см^2
32 МОм-см^2 Начальное контактное сопротивление жесткой пластины с ребрами толщиной 2,0 мм.
95% против 85% Сохранение контакта после 800 термических циклов: жесткий или гибкий
Гидравлика, перепад давления и геометрия каналов
Жесткие пластины позволяют создавать более глубокие каналы, что снижает перепад давления и мощность перекачки. Глубина канала влияет на перепад давления с обратным кубом в ламинарном потоке. В змеевидном канале шириной 1,5 мм и длиной 600 мм увеличение глубины с 1,0 до 1,5 мм снижает падение давления примерно на 70%.
В VRFB мощностью 50 кВт при расходе 90 л/мин снижение падения давления в ячейке на 0,4 бар экономит примерно 600 Вт мощности накачки, что составляет около 1,2% производительности батареи. Гибкие пластины ограничены более мелкими профилями, поскольку более глубокие каналы уменьшают площадь ребра, зажимающего электрод. Они также со временем проникают в русло, поэтому эффективная глубина уменьшается. Жесткие пластины удерживают глубину канала на протяжении всего срока службы штабеля.
Геометрия расходомерной пластины влияет на удельную мощность больше, чем ожидает большинство команд — читайте наш анализ на странице как геометрия пластины потока может улучшить удельную мощность системы .
Надежность уплотнения: гибкие и жесткие пластины в сборке
Жесткие пластины обеспечивают более предсказуемое уплотнение благодаря плоской рамке; гибкие пластины более устойчивы к короблению рамы. Пластиковая рама обычно имеет отклонение от плоскостности от 0,3 до 0,5 мм более 600 мм. Гибкая пластина следует за этим отклонением, поэтому прокладка сжимается по-разному, но остается в пределах диапазона. Жесткая пластина не следует за ним, поэтому поверхность уплотнения обычно требует механической обработки или нанесения дополнительного слоя мягкой прокладки.
У жесткой пластины есть и другая слабость: перезатяжка одного болта на 20% практически не дает эффекта. Гибкая пластина локально утончается в месте этого болта, поэтому ребро под ней может разрушиться или закрыть канал.
| Критерий | Гибкая пластина поля потока | Пластина поля жесткого потока |
| Модуль упругости | 8-15 ГПа | 30-50 ГПа |
| Допуск по толщине | /-0,3 мм | /-0,1 мм |
| Рекомендуемый зажим | 6-10 Н/см^2 | 10-14 Н/см^2 |
| Твердость прокладки (по Шору А) | 70-80 | 50-60 |
| Коэффициент падения давления | 1.0 | 0.7 |
| Сохранение теплового цикла | 85% после 800 циклов | 95% после 800 циклов |
Гибкая пластина с проточным каналом Пластины из чистого углеродного материала, изготовленные из расширенного графита под высоким давлением, могут быть переработаны в различные структуры каналов потока с помощью высекальных машин, гравировальных машин... Посмотреть продукт → Гибкий или жесткий: какой для вашего стека?
Выбирайте гибкий вариант, если плоскостность рамы и толщина электрода различаются; Выбирайте жесткий вариант, когда вам нужна высокая удельная мощность и предсказуемая гидравлика.
Выбирайте гибкую пластину, когда
- Площадь ячейки превышает 0,4 м^2, а рама отлита под давлением.
- Толщина электродного фетра варьируется более чем на /-0,3 мм.
- Путь потока короткий, и падение давления не является доминирующим
- Ваша обслуживающая бригада может повторно затянуть штабель после формирования.
Выбирайте жесткую пластину, когда
- Целевая плотность мощности превышает 300 мВт/см^2.
- Путь потока длинный с множеством змеевидных поворотов.
- Вы используете сварные края или металлическую биполярную пластину.
- После ввода в эксплуатацию штабель не будет повторно затягиваться.
Стоимость, оснастка и цепочка поставок: гибкая или жесткая в масштабе
Гибкие пластины дешевле при небольших количествах; жесткие пластины выигрывают за несколько тысяч единиц. Гибкая пластина вырезается из листового проката. Для ячейки площадью 0,4 м^2 сырьевой листовой материал стоит примерно в 2,5-3,5 раза дешевле, чем себестоимость формованной жесткой пластины в количестве 100 штук, поскольку жесткая пластина несет в себе амортизацию оснастки. При выпуске 5000 единиц жесткая формованная пластина становится дешевле в расчете на единицу, поскольку материал используется более эффективно и время цикла сокращается.
Инструмент для изготовления жесткой пластины обычно представляет собой пресс-форму с множеством полостей. Первоначальные инвестиции зависят от размера пластины, количества каналов и требуемой плоскостности. Если ваш проект часто меняется, гибкое производство листов из листового материала дает вам больше свободы для итераций, не платя за новую форму.
Компания Jiaxing Naco New Material Co., Ltd. производит как гибкие пластины с проточными каналами, так и жесткие пластины с проточными каналами, поэтому вы можете оценить две конфигурации с одинаковым производственным допуском и одинаковым контролем качества. При покупке любой пластины спросите у поставщика о допуске по толщине необработанного листа или формовки, поскольку от этого зависит, нужен ли вам более толстый войлок или дополнительная компенсация прокладки.
Биполярная пластина из углеродного волокна, армированная углеродным волокном Углеродные биполярные пластины нашей компании являются первыми в отрасли гибкими биполярными графитовыми пластинами, армированными углеродным волокном. Они не ломаются даже при сгибании на 360°,... Посмотреть продукт → Контрольный список решений для вашего стека
Сначала сопоставьте пластину с самым слабым допуском вашей стопки, а затем с ее путем потока.
- Измерьте толщину электродного войлока по всей партии. Если разброс превышает /-0,3 мм, начните с гибкой пластины.
- Проверьте плоскостность рамы. Если оно превышает 0,3 мм на протяжении 600 мм, избегайте использования жесткой пластины, если только вы не будете обрабатывать поверхность уплотнения.
- Рассчитайте падение давления в канале при целевом расходе. Если это превышает бюджет вашей помпы, переключитесь на жесткую пластину с более глубоким каналом.
- Оцените общее количество единиц и частоту изменений ниже 2000 единиц. Прототипирование гибких пластин происходит быстрее, но инструменты для жестких пластин окупаются в масштабе.
- Проверьте первую стопку с обеими пластинами. Прежде чем утвердить проект, измерьте контактное сопротивление и скорость утечки после 500 термических циклов.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать гибкую пластину с полем потока в проточной ванадиевой окислительно-восстановительной батарее?
Да. Гибкий композитный лист химически совместим с ванадиевым электролитом при правильном выборе полимерного связующего. Основной риск – проскальзывание с течением времени, поэтому запланируйте повторную затяжку после первых 50–200 часов работы.
Как соотносится контактное сопротивление между гибкими и жесткими пластинами?
Гибкие пластины обычно демонстрируют более низкое начальное контактное сопротивление, поскольку податливый материал соответствует войлоку. Жесткие пластины требуют более широких ребер для достижения сопоставимых значений, но они лучше сохраняют контактное сопротивление при термоциклировании.
Какой тип пластин имеет более длительный срок службы?
Жесткие пластины обычно служат дольше в высокотемпературных пакетах, поскольку они сопротивляются ползучести и деформации каналов. Гибкие пластины служат дольше при использовании с неровными рамами, поскольку они выдерживают отклонения от плоскостности, не допуская утечек.
Нужна ли пластинам поля потока отдельная прокладка?
Да. Оба типа нуждаются в прокладке между пластиной и рамой. Твердость прокладок различается: более мягкие прокладки (от 50 до 60 по Шору А) сочетаются с жесткими пластинами, более твердые прокладки (от 70 до 80 по Шору А) сочетаются с гибкими пластинами.
