CN103531834A - H2-金属电对液流电池 - Google Patents

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卢璐
许鹏程
徐洪峰
吴晓欣
沈阳
董一鸣
刘宏文
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Abstract

H2—金属电对液流电池，包括正电极、负电极、质子交换膜、正电极反应活性物质和负电极反应活性物质，正电极反应活性物质为金属离子溶液，负电极反应活性物质为氢气，负电极表面敷有担载型Pt/C催化剂。本发明的有益效果是：正电极反应活性物质是一定浓度硫酸溶液配置的金属盐溶液，负电极反应活性物质是氢气，正负电极反应活性物质为两种形态的物质---液相和气相，避免了正负电极反应活性物质离子间的交差污染；电池可在靠近热力学平衡电位下进行充放电，解决了传统液流电池电极不可逆带来的高过电位损失；使用氢气作为负电极反应活性物质，可减少对环境的污染等。

Description

H2-金属电对液流电池
技术领域
本发明属于液流电池领域。
背景技术
现有储能技术主要分为物理储能与化学储能两部分。物理储能主要有扬水储能、压缩空气储能等。化学储能主要是指各种蓄电池、燃料电池、液流电池等。现有技术的氧化还原液流电池（redoxflowbattery）以溶解在电解液中的金属离子的氧化体和还原体分别作为作为正负极活性物质，电池正负极间通过离子交换膜隔开，电解液通过泵在电解液和储罐之间循环流动，流过电池时在电极上发生电化学反应，进而实现电能与化学能之间的相互转换。现有的应用到液流电池储能体系的电对有：V5+/V4+vs.V3+/V2+，Fe3+/Fe2+vs.Cr3+/Cr2+，Br2/Br-vs.S/S2-，Ce4+/Ce3+vs.V3+/V2+，Fe3+/Fe2+vs.Ti2+/Ti4+，Br-/Br2vs.Zn2+/Zn等。但各种储能电对也存在不足：Fe/Cr体系中Cr3+/Cr2+电对可逆性差，需在电极上沉积贵金属催化剂，而且存在严重的离子间交差污染；Br/Zn体系虽有较高的开路电压，但Zn电极易形成沉积物枝晶，将膜刺穿；全钒体系虽采用同种元素不同价态离子，但并没有完全避免离子间的交差污染，而且V5+具有强氧化性，会损伤离子交换膜，此外钒电池运行温度一般要求在10℃-40℃之间，可操作范围小。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢气做负极活性物质的液流电池，克服现有金属电对液流电池的不足。
本发明的技术方案是：H2—金属电对液流电池，包括正电极、负电极、质子交换膜、正电极反应活性物质和负电极反应活性物质，正电极和负电极分别置于质子交换膜两边，质子交换膜将正电极和负电极密封隔开，正电极反应活性物质和负电极反应活性物质分别置于各自的容器中，正电极反应活性物质容器和负电极反应活性物质容器分别与正电极和负电极相通，正电极反应活性物质为金属离子溶液，其特征在于所述负电极反应活性物质为氢气，所述负电极表面敷有担载型Pt/C催化剂。
本发明所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正电极和负电极为石墨电极。
本发明所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正极为石墨毡，负极为石墨纸。
本发明所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正电极反应活性物质容器与正电极相通，是由管路和泵连接的循环通路，负电极反应活性物质容器和负电极相通，是由管路、增压泵和气体缓冲罐连接的双向通路，双向通路包括放电通路和充电通路，所述放电通路是负电极反应活性物质容器与负电极之间用管路连接，所述充电通路是负电极与负电极反应活性物质容器之间的管路上依次连接气体缓冲罐和增压泵。
本发明所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述充电通路的工作方法是：放电时，气体从负电极反应活性物质容器经放电通路进入电池，充电时，电池反应产生的氢气经充电通路进入气体缓冲罐，气体缓冲罐中的氢气达到设定量之后经增压泵增压进入负电极反应活性物质容器。
本发明的反应过程是：
放电过程正电极反应为：
MO n++xe-→MR m+        （1）
负电极反应为：
H2—2e-→2H+        （2）
充电时电极反应为放电反应的逆反应。
本发明的有益效果是：
1、正电极反应活性物质是一定浓度硫酸溶液配置的金属盐溶液，负电极反应活性物质是氢气，正负电极反应活性物质为两种形态的物质---液相和气相，避免了正负电极反应活性物质离子间的交差污染；
2、电池可在靠近热力学平衡电位下进行充放电，解决了传统液流电池电极不可逆带来的高过电位损失；
3、使用氢气作为负电极反应活性物质，可减少对环境的污染等。
附图说明
图1是本发明的系统示意图，
图2是充放电极化曲线及充放电循环性能曲线的测试系统示意图，
图3是实施例的充放电极化曲线，
图4是实施例的充放电循环性能曲线，
图中，1泵   2正电极反应活性物质容器   3蓝电电池测试系统CT2001D  4正电极   5负电极   6质子交换膜   7氢气缓冲罐   8氢气增压泵   9负电极反应活性物质容器  10端板
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
H2—金属电对液流电池包括正电极4、负电极5、质子交换膜6、正电极反应活性物质和负电极反应活性物质，正电极4和负电极5分别置于质子交换膜6两边，质子交换膜6将正电极4和负电极5密封隔开，正电极反应活性物质为250ml1MH2SO4+0.5MFe2(SO4)3电解溶液，负电极反应活性物质是氢气，氢气由氢气储器提供。正电极反应活性物质置于正极电解液储罐中，正极电解液储罐和氢气储器分别与正电极4和负电极5相通，负电极5为石墨纸电极，石墨纸表面敷有担载型Pt/C催化剂。正电极3为石墨毡电极，正极电解液储罐与正电极3之间由管路和泵1连接成循环通路，正电极电解液经泵1流入电池，反应后流回正极电解液储罐。氢气储器和负电极5由管路连接成双向通路。放电通路是氢气储器与负电极之间用管路连接，充电通路是负电极与氢气储器之间的管路上依次连接氢气缓冲罐7和氢气增压泵8，放电时，气体从氢气储器进入电池，充电时，电池反应产生的氢气进入氢气缓冲罐7，达到设定量之后经氢气增压泵8增压进入氢气储器。
实施例1
电池正电极4材料为3mm厚聚丙烯腈石墨毡，聚丙烯腈石墨毡经去离子水浸泡，烘干。负电极5为载有Pt/C催化剂的石墨纸。所有试剂均为分析纯，水为去离子水。离子交换膜为Nafion212膜。电极工作面积为42cm2，泵1为流速为0.99L/min磁力循环泵,负电极5氢气流速为500ml/min。工作温度与压力为常温、常压。运用蓝电电池测试系统CT2001D3测试了该电池的充放电极化曲线及充放电循环性能曲线。其中电池放电极化曲线的测定是将配置好的电解液于不同电流密度下进行2min放电，记录电压值；充电极化曲线测定是将配置好的电解液首先于50mA/cm2放电至电压小于0.3v,然后于不同电流密度下进行2min充电，记录电压值。充放电循环曲线的测定采用的是恒电流充放电模式，测试过程充放电电流密度均为50mA/cm2，充电电压上限为1V，放电电压下限为0.3V。
实施例2
与实施例1基本相同，仅电池正电极材料为3mm厚经马弗炉400℃恒温未隔绝空气加热30h热处理的聚丙烯腈石墨毡。其他均与实施例1相同。
实施例1与实施例2测得的充放电极化曲线及充放电循环性能曲线如图3、图4。
以未经马弗炉400℃恒温未隔绝空气加热30h热处理的石墨毡为电池正电极时，电池库伦效率为96.3%，电压效率为76.3%，能量效率为73.4%；以热处理石墨毡为电池正电极时，电池库伦效率为97.8%，电压效率为86%，能量效率为84.2%。

Claims (5)

1.H2—金属电对液流电池，包括正电极（4）、负电极（5）、质子交换膜（6）、正电极反应活性物质和负电极反应活性物质，正电极（4）和负电极（5）分别置于质子交换膜（6）两边，质子交换膜（6）将正电极（4）和负电极（5）密封隔开，正电极反应活性物质和负电极反应活性物质分别置于各自的容器中，正电极反应活性物质容器（2）和负电极反应活性物质容器（9）分别与正电极（4）和负电极（5）相通，正电极反应活性物质为金属离子溶液，其特征在于所述负电极反应活性物质为氢气，所述负电极（5）表面敷有担载型Pt/C催化剂。
2.根据权利要求1所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正电极（4）和负电极（5）为石墨电极。
3.根据权利要求2所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正电极（4）为石墨毡，负电极（5）为石墨纸。
4.根据权利要求1所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述正电极反应活性物质容器（2）与正电极（4）相通，是由管路和泵（1）连接的循环通路，负电极反应活性物质容器（9）和负电极（5）相通，是由管路、氢气增压泵（8）和氢气缓冲罐（7）连接的双向通路，双向通路包括放电通路和充电通路，所述放电通路是负电极反应活性物质容器（9）与负电极（5）之间用管路连接，所述充电通路是负电极（5）与负电极反应活性物质容器（9）之间的管路上依次连接氢气缓冲罐（7）和氢气增压泵（8）。
5.权利要求4所述的H2—金属电对液流电池，其特征在于所述充电通路的工作方法是：放电时，气体从负电极反应活性物质容器（9）经放电通路进入电池，充电时，电池反应产生的氢气经充电通路进入氢气缓冲罐（7），氢气缓冲罐（7）中的氢气达到设定量之后经氢气增压泵（8）增压进入负电极反应活性物质容器（9）。
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