CN101651219A - 钒铬双液流电池 - Google Patents

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Abstract

一种钒铬双液流电池，由多节电池单体联成的电堆、正、负极电解液、储罐、液体泵及输液管组成。其中电池单体的正极电解液是VO2+的硫酸溶液；负极电解液是Cr3+的水合硫酸溶液。在充放电过程中，正、负极电解液在液体泵的输送下不断循环流动。充电时VO2+离子氧化成VO2 +离子，而Cr3+离子还原成Cr2+离子，放电时反之。该液流电池具有易规模化、循环寿命长，结构简单，材料价格相对便宜，能量密度、功率密度及能量利用效率高等优点，比全钒液流电池能量密度提高10％，成本降低20％。最适合在风能、太阳能发电系统中作为大规模电能储存设备使用，可广泛应用于电力、交通等行业。

Description

钒铬双液流电池
技术领域
本发明涉及到一种新型的钒铬双液流电池的原理和制备方法，属于化工领域，可广泛应用于可再生能源如风能、太阳能等的大规模储能及电力、交通等行业。
背景技术
电能是现代社会人类生活、生产中不可或缺的二次能源。随着社会经济的快速发展，电力需求越来越高。电力需求昼夜相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大、利用率较低。而随着化石能源的不断枯竭，风能、太阳能等可再生能源的开发利用越来越广。为了满足人们生产建设及生活的用电需要，减少发电厂的建设规模和投资，提高效率，以及克服风电、太阳能等可再生能源的随机性，保证稳定供电，开发经济可行的储能技术，使发电与用电相对独立具有重大的意义。
液流蓄电池又称液流氧化还原电池，可简称液流电池，是一种新型大容量电化学储能装置。它不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池，是以金属离子的氧化体作为正极活性物质，金属离子的还原体作为负极活性物质，并把它们分别溶解在电解液中贮存起来，电池放电时由外部储罐分别向电池的正极室和负极室供液发电。由于电池的电化学反应不包含固态过程，且活性物质是流动的电解质溶液，因此电池的反应速度和充放电效率相比其它常规蓄电池高，并可以规模化蓄电。在广泛利用可再生能源的呼声高涨形势下，可以预见液流电池将迎来一个快速发展的时期。
双液流电池具有正负极电解液分开，各自循环的特点，是一种高性能蓄电池，具有容量高、使用范围广、循环使用寿命长等优点。目前，双液流电池已经研究和开发了Fe/Cr、全钒、多硫化钠/Br2和全铬等电池体系。Fe/Cr液流电池因为能量密度低，已经逐渐被放弃。全铬液流电池的能量密度为Fe/Cr液流电池的6倍，但其正极电解液为高价的铬离子(Cr6+)，其毒性很大。目前研究和应用较多的是全钒液流电池，但由于钒的价格很高，所以使全钒液流电池的成本较高而难以大量使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有液流电池的不足之处，设计一种循环寿命长，材料价格相对便宜，生产成本较低，能量密度和功率密度高的钒铬双液流电池。
本发明的钒铬双液流电池，主要是在现有的双液流电池的基础上改进而成，其结构包括主要由正电极、正极电解液、负电极、负极电解液和离子交换膜组成的多节电池单体联成的电堆，以及正极电解液储罐、正极电解液液体泵、负极电解液储罐和负极电解液液体泵，电堆中的正极电解液用输液管与正极电解液储罐和正极电解液液体泵连成回路，电堆中的负极电解液用输液管与负极电解液储罐和负极电解液液体泵连成回路，其关键在于所述正极电解液为VO2+钒离子的硫酸溶液，负极电解液为Cr3+铬离子的水合硫酸溶液。
所述正极电解液的VO2+钒离子的硫酸溶液，可选用硫酸氧钒溶解在18.5mol/L的浓硫酸溶液中配制成2.0mol/L的VO2+硫酸溶液。
所述负极电解液的Cr3+的水合硫酸溶液，可选用硫酸铬溶解在3.0mol/L的硫酸溶液中配成2.0mol/L的Cr3+的水合硫酸溶液。
所述离子交换膜选用Nafion-117型离子交换膜。
本发明的钒铬双液流电池，由于选用VO2+钒离子的硫酸溶液为正极电解液，选用Cr3+的水合硫酸溶液为负极电解液，所以能既避免了全铬液流电池的正极电解液为高价的铬离子(Cr6+)的毒性问题，又比全钒液流电池能量密度提高10％，成本下降20％。具有易规模化、循环寿命长，结构简单，材料价格相对便宜，能量密度、功率密度及能量利用效率高等特点，适合于在风能、太阳能发电系统作为大规模电能储存和高效转化设备使用，可广泛应用于电力、交通等行业。
附图说明
附图是本发明的钒铬双液流电池的一种结构示意图。
具体实施方式
参见附图，图中1为正极电解液储罐，2为负极电解液储罐；3为正极电解液；4为负极电解液；5为正电极；6为负电极；7为离子交换膜；8为正极电解液液体泵；9为负极电解液液体泵；10为电堆；11为电源或负载，12为输液管。
本发明的钒铬双液流电池，其结构主要由正电极5、正极电解液3、负电极6、负极电解液4和离子交换膜7组成的多节电池单体联成的电堆8，以及正极电解液储罐1、正极电解液液体泵8、负极电解液储罐2和负极电解液液体泵9，电堆8中的正极电解液3用输液管12与正极电解液储罐1和正极电解液液体泵8连成回路，电堆8中的负极电解液4用输液管12与负极电解液储罐2和负极电解液液体泵9连成回路，所述正极电解液3为VO2+钒离子的硫酸溶液，负极电解液4为Cr3+铬离子的水合硫酸溶液。充电时，电源或负载11接充电电源，放电时，电源或负载11接负载，在充、放电过程中，正、负极电解液在液体泵的输送下不断循环流动。
所述正极电解液3的VO2+钒离子的硫酸溶液，可选用硫酸氧钒溶解在18.5mol/L的浓硫酸溶液中配制成2.0mol/L的VO2+硫酸溶液。
所述负极电解液4的Cr3+的水合硫酸溶液，可选用硫酸铬溶解在3.0mol/L的硫酸溶液中配成2.0mol/L的Cr3+的水合硫酸溶液。
上述正电解液的VO2+钒离子的硫酸溶液和负极电解液的Cr3+的水合硫酸溶液，也可用其它浓度的硫酸配制而成，所得的正、负电解液的浓度高些，可使电池容量大些，浓度低些，可使电池容量小些。
电池单体的正、负电极为碳素类等惰性电极。为了防止电解液在电池单体内混合，电池单体中的正电极和负电极之间采用离子交换膜分隔。所述离子交换膜可选用Nafion-117型离子交换膜。
本发明的钒铬双液流电池以VO2+作正极活性物质，Cr3+作负极活性物质，其电极反应如下：
正极反应：
E0＝1.00V
负极反应：
E0＝-0.41V
其工作原理是利用不同价态钒铬离子之间的氧化还原反应来实现能量的转换，正、负极的活性物质均溶解在溶液中，氧化还原反应发生在惰性集流体上。当电解液流动时，可以进行充电和放电。充电时，VO2+离子氧化成VO2 +离子，而Cr3+离子还原成Cr2+离子，放电时反之。电池单体的正、负极的标准电势差为1.41V。
本发明的钒铬双液流电池在充放电过程中，电解液由液体泵不断输送入电池单体中，由于电解液的流动增大了电极界面中的物质传递速度，且只发生液相反应，不发生普通电池的复杂固相变化，消除了电化学和浓差极化。额定功率取决于电池堆，容量大小取决于电解液量，可通过增加电解液的量和提高电解质的浓度，达到增加电池容量的目的。
本发明的钒铬双液流电池，工作时，正、负极电解液3、4在正、负极电解液液体泵8、9的输送下通过输液管12不断把电解液分别从正、负极电解液储罐1、2输送到电堆10内，完成电化学反应之后，正、负极电解液3、4又分别回到正、负极电解液储罐1、2中。

Claims (4)

1、一种钒铬双液流电池，包括主要由正电极、正极电解液、负电极、负极电解液和离子交换膜组成的多节电池单体联成的电堆，以及正极电解液储罐、正极电解液液体泵、负极电解液储罐和负极电解液液体泵，电堆中的正极电解液用输液管与正极电解液储罐和正极电解液液体泵连成回路，电堆中的负极电解液用输液管与负极电解液储罐和负极电解液液体泵连成回路，其特征在于所述正极电解液为VO2+钒离子的硫酸溶液，负极电解液为Cr3+铬离子的水合硫酸溶液。
2、根据权利要求1所述的钒铬双液流电池，其特征在于正极电解液的VO2+钒离子的硫酸溶液，选用硫酸氧钒溶解在18.5mol/L的浓硫酸溶液中配制成2.0mol/L的VO2+硫酸溶液。
3、根据权利要求1所述的钒铬双液流电池，其特征在于负极电解液的Cr3+的水合硫酸溶液，选用硫酸铬溶解在3.0mol/L的硫酸溶液中配成2.0mol/L的Cr3+的水合硫酸溶液。
4、根据权利要求1或2或3所述的钒铬双液流电池，其特征在于所述离子交换膜选用Nafion-117型离子交换膜。
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