CN103022545A - 一种多酸液流燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多酸液流燃料电池系统，是以还原态的多酸溶液为液流电池的还原剂，空气中的氧气为氧化剂，离子交换膜为电池隔膜，多孔聚丙烯炭纤维毡为负极电极材料，空气气体扩散电极为正极电极材料组成液流氧化还原电池。本发明的液流电池具有大规模存储能量能力，同时相对全钒液流电池没有氧化剂溶液的存储要求，同时也没有正极溶液对电极的刻蚀问题；该电池中的还原剂相比全钒液流电池中的低价钒还原剂具有更好的放电能力，因为功率密度也大大提高；相对全钒液流电池，该电池没有钒的高价化合物的剧毒性；该电池价格相对全钒液流电池更加便宜适合大规模发展。

Description

一种多酸液流燃料电池系统
技术领域
本发明属于新能源领域的燃料电池技术，涉及一种以多酸为还原剂、空气为氧化剂的多酸液流燃料电池系统。
背景技术
液流电池是一种大型储能装置，其基本工作原理为电池的正负极或某一极活性物质为液态流体氧化还原电对。由于液流电池能够将能量转化到电解液中分别进行存储，因为具有超大规模存储能量的优势，由于这种特点液流电池适合风能、太阳能等新能源发电的储能技术。在液流电池中目前以全钒液流电池最具发展潜力。然而，在全液流电池中，钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于45摄氏度的情况下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45摄氏度。同时，在该电池中石墨极板容易被正极液刻蚀，如果用户操作不当，一次充电就能让石墨板完全刻蚀，电堆只能报废。因此该电池目前经过长期研究在产业化上仍有很多困难。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种具有大规模存储能量能力，有更好的放电能力，功率密度大且无剧毒性的多酸液流燃料电池系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多酸液流燃料电池系统，是以还原态的多酸溶液为液流电池的还原剂，空气中的氧气为氧化剂，离子交换膜为电池隔膜，多孔聚丙烯炭纤维毡为负极电极材料，空气气体扩散电极为正极电极材料组成液流氧化还原电池。
所述的多酸溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，多酸可以是同多酸或者杂多酸。同多酸为钨酸或者钼酸，杂多酸则为通式为[XaMbO40]n- ,X=P,Si,Ge,As…,M=W,Mo,a:b=1:6 , 1:9,1:12 的一系列化合物。以及由Fe、Co、 Ni、Cr、Cu、Al、Ti、Sn元素一种或者几种组合对多酸进行掺杂的形成的化合物，或是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。
所述的多酸或是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物， [(C19H18N3)2H][PMo12O40], (ppy)4H6[SiW12O40]这类超分子化合物。
所述的酸性溶液是硫酸、磷酸、盐酸这类有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10-4～101mol/L。
所述的燃料电池负极是以经过热处理的并进行表面修饰的聚丙烯纤维碳毡和集流板复合组成负极。
所述的电极表面修饰的化学处理使用的金属元素为Co、Ni、Ir、Ru、Au、Ag、Pt、W、Mo其中的一种或者几种组合。
所述的离子交换膜是指全氟磺酸树脂交换膜或者能通过氢离子的非全氟磺酸质子交换膜。
所述的正极是指由粘接剂、炭黑、催化剂和集流网形成的疏水多孔的气体交换电极；粘接剂是指聚四氟乙烯、偏四氟乙烯、全氟磺酸树脂中的一种或者几组成。
所述的正极催化剂是指Co、Ni、Mn、Ir、Ru、Au、Pt、W、Mo、Ag金属以及有它们一种或者几种组成的合金催化剂；正极催化剂或是MnO2、LaMnO3、LaNinO3、 LaCoO3这类的氧化物催化剂，以及有这些化合物掺杂Ca、Sr、Ce、Pb元素形成的化合物。
所述的电池能够通过充电的办法来获得再生，或通过更换负极区域的溶液来获得再生。
本发明的积极效果是: 液流电池具有大规模存储能量能力，同时相对全钒液流电池没有氧化剂溶液的存储要求，同时也没有正极溶液对电极的刻蚀问题；该电池中的还原剂相比全钒液流电池中的低价钒还原剂具有更好的放电能力，因为功率密度也大大提高；相对全钒液流电池，该电池没有钒的高价化合物的剧毒性；该电池价格相对全钒液流电池更加便宜适合大规模发展。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
一种多酸液流燃料电池系统，是属于新能源领域的燃料电池技术，涉及一种以多酸为还原剂，空气为氧化剂的流体燃料电池生产方法。
    为解决上述全钒液流电池存在的问题，以及利用燃料电池中使用的氧化剂为从空气中获得的氧气，从而可以大幅度的提高电池的能量密度，本发明提供一种多酸为还原剂，空气为氧化剂的流体燃料电池生产方法。
本发明以还原态的多酸溶液为液流电池的还原剂，空气中的氧气为氧化剂，离子交换膜为电池隔膜，多孔聚丙烯炭纤维毡为负极电极材料，空气气体扩散电极为正极电极材料组成液流氧化还原电池。
所述的多酸溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，多酸可以是同多酸或者杂多酸。同多酸为钨酸或者钼酸，杂多酸则为通式为[XaMbO40]n- ,X=P,Si,Ge,As…,M=W,Mo,a:b=1:6 , 1:9,1:12 的一系列化合物。以及由Fe、Co、 Ni、Cr、Cu、Al、Ti、Sn元素一种或者几种组合对多酸进行掺杂的形成的化合物，或是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。
所述的多酸或是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物， [(C19H18N3)2H][PMo12O40], (ppy)4H6[SiW12O40]这类超分子化合物。
所述的酸性溶液是硫酸、磷酸、盐酸这类有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10-4～101mol/L。
所述的燃料电池负极是以经过热处理的并进行表面修饰的聚丙烯纤维碳毡和集流板复合组成负极。
所述的电极表面修饰的化学处理使用的金属元素为Co、Ni、Ir、Ru、Au、Ag、Pt、W、Mo其中的一种或者几种组合。
所述的离子交换膜是指全氟磺酸树脂交换膜或者能通过氢离子的非全氟磺酸质子交换膜。
所述的正极是指由粘接剂、炭黑、催化剂和集流网形成的疏水多孔的气体交换电极；粘接剂是指聚四氟乙烯、偏四氟乙烯、全氟磺酸树脂中的一种或者几组成。
所述的正极催化剂是指Co、Ni、Mn、Ir、Ru、Au、Pt、W、Mo、Ag金属以及有它们一种或者几种组成的合金催化剂；正极催化剂或是MnO2、LaMnO3、LaNinO3、 LaCoO3这类的氧化物催化剂，以及有这些化合物掺杂Ca、Sr、Ce、Pb元素形成的化合物。
所述的电池能够通过充电的办法来获得再生，或通过更换负极区域的溶液来获得再生。
本发明的液流电池具有大规模存储能量能力，同时相对全钒液流电池没有氧化剂溶液的存储要求，同时也没有正极溶液对电极的刻蚀问题；该电池中的还原剂相比全钒液流电池中的低价钒还原剂具有更好的放电能力，因为功率密度也大大提高；相对全钒液流电池，该电池没有钒的高价化合物的剧毒性；该电池价格相对全钒液流电池更加便宜适合大规模发展。
实施例1：
   用ABS塑料板制作长×宽×高150×50×70mm的塑料槽，并在槽其中一个侧壁开出130×50的孔。加工尺寸长×宽为140×60mm、厚度为1mm的泡沫镍为集电极，然后将炭黑、β晶型的MnO2、聚四氟乙烯树脂和全氟磺酸树脂按照30:30:15：5: 20的重量比列配置成浆料利用喷涂的方法均匀的喷涂到碳纸上，在80℃条件下充分烘干后进行轧制得到正极。裁切尺寸长×宽为150×70mm的质子交换膜为隔膜.按顺序将质子交换膜隔膜、正极压紧后热压得到正极、隔膜一体化电极，然后将该电极固定在塑料槽的开口处并将正极和塑料槽的接触的缝隙处进行密封，让面隔膜向塑料槽的内部。电池的负极是采用加工尺寸长×宽为140×60mm，厚度为1mm的石墨片和长×宽尺寸为140×60mm的聚丙烯碳纤维毡用树脂粘结后在高温热处理成电极、集电极一体化电极，将该电极装配到塑料的内部形成液流燃料电池的负极。还原剂溶液的配置，取高纯水1L,加入100ml分析纯H3PO4，搅拌均匀后，然后将溶液加热至80℃,然后加入200g钼酸铵，降低温度冷却，过滤溶液将得到所溶液通过电解法还原成低价态的蓝色溶液，将该溶液加入到电池的负极区域得到所述的液流燃料电池。
 
实施例2：
   用ABS塑料板制作长×宽×高150×50×70mm的塑料槽并在槽其中一个侧壁开出130×50 mm的孔，加工尺寸长×宽为140×60mm、厚度为1mm的泡沫镍为集电极，然后将铂黑、石墨烯、聚四氟乙烯树脂、全氟磺酸树脂按照20:40:15：5: 20的重量比列配置成浆料利用喷涂的方法均匀的喷涂到碳纸上，在80℃条件下充分烘干后进行轧制得到正极。裁切尺寸长×宽为150×70mm的质子交换膜为隔膜，按顺序将质子交换膜隔膜、正极压紧后热压得到正极、隔膜一体化电极，然后将该电极固定在塑料槽的开口处并将正极和塑料槽的接触的缝隙处进行密封，让面隔膜向塑料槽的内部。电池的负极是采用加工尺寸长×宽为140×60mm，厚度为1mm的石墨片和长×宽尺寸为140×60mm的聚丙烯碳纤维毡用树脂粘结后在高温热处理成电极、集电极一体化电极，将该电极装配到塑料的内部形成液流燃料电池的负极。还原剂溶液的配置，取高纯水1L,加入80ml分析纯H2SO4，搅拌均匀后，然后将溶液加热至80℃,然后加入100g钼酸铵,20 g硫酸亚铁，降低温度冷却，过滤溶液将得到所溶液通过电解法还原成低价态的蓝色溶液，将该溶液加入到电池的负极区域得到所述的液流燃料电池。

Claims (10)

1.一种多酸液流燃料电池系统，其特征是：是以还原态的多酸溶液为液流电池的还原剂，空气中的氧气为氧化剂，离子交换膜为电池隔膜，多孔聚丙烯炭纤维毡为负极电极材料，空气气体扩散电极为正极电极材料组成的液流氧化还原电池。
2.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：所述的多酸溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，多酸可以是同多酸或者杂多酸；同多酸为钨酸或者钼酸，杂多酸则为通式为[XaMbO40]n- ,X=P,Si,Ge,As…,M=W,Mo,a:b=1:6 , 1:9,1:12 的一系列化合物，以及由Fe、Co、 Ni、Cr、Cu、Al、Ti、Sn元素一种或者几种组合对多酸进行掺杂的形成的化合物，或是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。
3.如权利要求2所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：所述的多酸或是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物， [(C19H18N3)2H][PMo12O40], (ppy)4H6[SiW12O40]这类超分子化合物。
4.如权利要求2所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：所述的酸性溶液是硫酸、磷酸、盐酸这类有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10-4～101mol/L。
5.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：燃料电池负极是以经过热处理的并进行表面修饰的聚丙烯纤维碳毡和集流板复合组成负极。
6.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：电极表面修饰的化学处理使用的金属元素为Co、Ni、Ir、Ru、Au、Ag、Pt、W、Mo其中的一种或者几种组合。
7.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：所述的离子交换膜是指全氟磺酸树脂交换膜或者能通过氢离子的非全氟磺酸质子交换膜。
8.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：正极是指由粘接剂、炭黑、催化剂和集流网形成的疏水多孔的气体交换电极；粘接剂是指聚四氟乙烯、偏四氟乙烯、全氟磺酸树脂中的一种或者几组成。
9.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：正极催化剂是指Co、Ni、Mn、Ir、Ru、Au、Pt、W、Mo、Ag金属以及有它们一种或者几种组成的合金催化剂；正极催化剂或是MnO2、LaMnO3、LaNinO3、 LaCoO3这类的氧化物催化剂，以及有这些化合物掺杂Ca、Sr、Ce、Pb元素形成的化合物。
10.如权利要求1所述多酸液流燃料电池系统，其特征是：所述的电池能够通过充电的办法来获得再生，或通过更换负极区域的溶液来获得再生。
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