CN113823821B - 一种铁-氢储能电池及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁‑氢储能电池及其应用，所述铁‑氢储能电池包括铁离子供应系统、氢气供应系统和电池主体，所述铁离子供应系统包含铁离子溶液，所述铁离子溶液用于为电池主体的正极供应铁离子，所述氢气供应系统用于为电池主体的负极供应氢气；本发明所述铁‑氢储能电池在常温下充电容量可达17.9Ah/L，放电容量可达17.1Ah/L，能量利用率可达83.6％，能量密度可达10.6Wh/L，库伦效率可接近100％，能量效率可超过80％，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于储能器件领域，涉及一种铁-氢储能电池及其应用。
背景技术
全铁液流电池作为液流电池中不可或缺的一员，不用担心电极两侧串流，且价格相对便宜；但即使如此，由于需要人为的制造电极反应电势差，它的正负极通常均需要使用不同的铁配合物，增加了成本和不稳定性。而部分配合物溶解度不高又会降低电池能量密度，如Li等发明的高性能全铁液流电池容量为1.5Ah·L-1(参见文献：Journal of PowerSources,2020,445:227-331)，Yan等发明的全铁液流电池容量接近5Ah·L-1(参见文献：ACSEnergy Letters,2016,1(1):89-93)。即使对于容量密度更高的全钒液流电池，Yan等研究的性能提升的全钒液流电池容量为7.5Ah·L-1(参见文献：Carbon,2019,155:176-185)，Joo等对全钒液流电池电极官能团化处理后性能则为16Ah·L-1(参见文献：ElectrochimicaActa,2019,297:905-915)，这无疑限制了这一类电池的应用前景。
与之相对的，质子交换膜燃料电池能量密度高，且使用氢气和氧气这两种清洁原料。但其由于能量转化效率低不利于储能应用，而氧气侧因使用较大量的Pt或其他贵金属催化剂增加了成本，在长时间运行中无论是气体的便携存储、质子交换膜的失水还是氧气侧催化剂水淹等都会阻碍它的进一步应用。
因此，开发一种具有更高的充放电容量、能量密度和能量效率的新型储能电池仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁-氢储能电池及其应用，所述铁-氢储能电池包括铁离子供应系统、氢气供应系统和电池主体，所述铁离子供应系统包含铁离子溶液，所述铁离子溶液用于为电池主体的正极供应铁离子，所述氢气供应系统用于为电池主体的负极供应氢气；本发明所述铁-氢储能电池在常温下充电容量可达17.9Ah/L，放电容量可达17.1Ah/L，能量利用率可达83.6％，能量密度可达10.6Wh/L，库伦效率可接近100％，能量效率可超过80％，具有广阔的应用前景。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种铁-氢储能电池，所述铁-氢储能电池包括铁离子供应系统、氢气供应系统和电池主体，所述铁离子供应系统包含铁离子溶液，所述铁离子溶液用于为电池主体的正极供应铁离子，所述氢气供应系统用于为电池主体的负极供应氢气。
本发明所述铁-氢储能电池包含铁离子供应系统、氢气供应系统，其分别为电池主体提供铁离子和氢气，使得在电池主体内构建如下可逆电池反应体系：
在Fe离子浓度为0.8M的条件下，其理论比容量如下：
理论比容量C＝Q/V＝(0.8×96500×1)/3600＝21.4Ah/L；
采用本发明上述结构的铁-氢储能电池，其在常温下充电容量可达17.9Ah/L，因而其能量利用率可达83.6％。
能量利用率指实际充放电容量与理论充放电容量之比。
同时，采用本发明上述电池，其解决了全铁液流电池存在的成本高、不稳定性、电池能量密度低的问题；且其相较于质子交换膜燃料电池具有更高的能量效率，贵金属催化剂用量低，且成本较低的优势。
优选地，所述铁离子溶液为铁盐溶液和/或铁的配合物溶液。
优选地，所述铁盐溶液包括硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁溶液中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液或氯化铁和氯化亚铁的混合溶液等。
优选地，所述铁的配合物溶液中的配合物包括三联吡啶、邻菲罗啉或吡啶羧酸中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括三联吡啶和邻菲罗啉的组合、吡啶羧酸和三联吡啶的组合或邻菲罗啉和吡啶羧酸的组合等。
优选地，所述电池主体为密闭结构。
优选地，所述电池主体包括依次设置的正极、膜材料和负极。
优选地，所述正极包含正极材料，所述负极包含负极材料。
优选地，所述膜材料选自质子交换膜和/或离子传导膜。
优选地，所述正极材料和负极材料各自独立的选自石墨毡、碳纤维毡、石墨烯膜或碳纳米管膜中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括石墨毡和碳纤维毡的组合或石墨烯膜和碳纳米管膜的组合等。
优选地，所述正极材料和负极材料各自独立的选自经表面修饰的石墨毡、碳纤维毡、石墨烯膜或碳纳米管膜中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述表面修饰包括化学处理和/或电化学处理。
此处所述化学处理指用化学试剂处理，无需外接电路，所述电化学处理则需通过外接电路进行有电子转移的反应。二者不存在包含关系。
优选地，所述膜材料靠近负极的一侧表面和/或所述负极材料上包含具有氢电氧化能力的催化剂。
优选地，所述具有氢电氧化能力的催化剂包括单一贵金属催化剂、贵金属合金催化剂或非贵金属氢电氧化催化剂中的至少一种。
优选地，所述单一贵金属催化剂包括Pt/C催化剂。
优选地，所述贵金属合金催化剂包括Pt-Ru合金催化剂。
优选地，所述非贵金属氢电氧化催化剂包括Fe基催化剂和/或Mn基催化剂。
优选地，所述电池主体还包括外框，所述外框设置于所述正极材料和所述负极材料的外侧。
优选地，所述外框的材质选自金属材料、石墨板材料或有机玻璃板材料中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述电池主体还包括流场板，所述流场板位于正极侧外框和所述正极材料之间和/或所述流场板位于负极侧外框和所述负极材料之间。
优选地，所述流场板的材质各自独立的选自石墨材质、金属材质、合金材质或聚合物材质中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述正极材料包括靠近外框一侧的第一正极材料和靠近膜材料一侧的第二正极材料。
第一正极材料起集流作用，方便展现电池的性能以及与外部的测试电路连接；第二正极材料起担载催化剂或/和电极反应电极的作用；当一种正极材料即能满足需求时可以只用一种正极材料。
优选地，所述负极材料包括相邻设置的第一负极材料和第二负极材料，所述第二负极材料与所述膜材料相邻。
第一负极材料起集流作用，方便展现电池的性能以及与外部的测试电路连接；第二负极材料起担载催化剂或/和电极反应电极的作用；当一种负极材料即能满足需求时可以只用一种负极材料。
优选地，所述电池主体还包括密封垫，所述密封垫用于保持电池自身的密闭性。此处所述电池自身的密闭性包括正负极反应腔室的隔绝独立以及电池内部与外界的独立性。
本发明中密封垫和电极材料(正极材料或负极材料)的组合位置可以依据需求变动。
优选地，所述密封垫的材质包括塑料材料和/或橡胶材料。
本发明所述密封垫的材质选自塑料材料和/或橡胶材料等具有一定弹性和/或延展性材料。
优选地，所述塑料材料选自PDMS和/或PE。
优选地，所述铁离子供应系统包括铁离子储液容器、正极传输管路和循环泵，所述正极传输管路的两端分别连接所述铁离子储液容器和所述电池主体的正极，所述循环泵用于将所述铁离子储液容器中的液体输送到所述电池主体的正极材料中，其中，所述铁离子溶液位于所述铁离子储液容器中；
或，所述铁离子供应系统包含内置在电池主体的正极内的铁离子溶液。
优选地，所述铁离子储液容器、正极传输管路、循环泵及电池主体的正极间形成串联回路。
本发明所述铁-氢储能电池的使用过程中，铁离子溶液在上述回路中进行流动，进而实现充电和放电过程。
优选地，所述正极传输管路与所述电池主体上的孔洞连接，所述孔洞位于正极侧端面的外框上和/或正极侧的周面上。
优选地，所述铁离子储液容器的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括金属材质和塑料材质的组合、玻璃材质和金属材质的组合或塑料材质和玻璃材质的组合等。
优选地，所述正极传输管路的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括金属材质和塑料材质的组合、玻璃材质和金属材质的组合或塑料材质和玻璃材质的组合等。
优选地，所述氢气供应系统包括氢气储存容器、负极传输管路和循环泵，所述负极传输管路的两端分别连接所述氢气储存容器和所述电池主体的负极，所述循环泵用于将所述氢气储存容器中的氢气传输到所述电池主体的负极材料中。
优选地，所述氢气储存容器、负极传输管路、循环泵及电池主体的负极间形成回路。
优选地，所述氢气供应系统的负极传输管路将氢气储存容器与所述电池主体的负极连接形成回路；当电池放电过程中，氢气供应系统将氢气储存容器中的氢气经负极传输管路输送到电池主体的负极中；当电池充电过程中，氢气供应系统将电池负极产生的氢气输送到氢气储存容器中。
本发明所述电池主体内包含依次设置的正极、膜材料和负极，其中，膜材料可采用非氟多孔离子传导膜、全氟磺酸型质子交换膜、nafion重铸膜、非氟聚合物质子交换膜或新型复合质子交换膜，优选地，选择采用全氟磺酸型质子交换膜，当电池放电过程中，负极侧的氢气发生氧化反应转化为氢离子，氢离子经质子交换膜和/或离子传导膜进入正极的铁离子溶液中储存；当电池充电过程中，正极侧供应的铁离子溶液，所述铁离子溶液中包含氢离子，其经质子交换膜和/或离子传导膜进入电池负极，发生还原反应，生成氢气。
优选地，所述氢气储存容器的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述氢气供应系统采用自发产氢方式获得氢气。
优选地，所述负极传输管路与所述电池主体上的孔洞连接，所述孔洞位于所述负极侧端面的外框上和/或负极侧的周面上。
优选地，所述负极传输管路的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的铁-氢储能电池的应用，所述铁-氢储能电池进行放电，将所述铁-氢储能电池主体的正极和负极与负载连接形成回路；
或所述铁-氢储能电池进行充电，将所述铁-氢储能电池的电池主体的正极和负极与电源连接形成回路。
本发明基于电极反应电势：
正极侧：Fe3++e-→Fe2+ E0(Fe3+/Fe2+)＝+0.77V；
负极侧：H2→2H++2e- E0(H2/H+)＝0V。
构建了一个新的可逆电池反应体系：
本发明所述铁-氢储能电池的使用过程中，当其进行充电时，电池主体的正、负极与电源串联，正极侧供应Fe2+，负极侧供应H+；在电源的作用下，正极发生氧化反应，负极发生还原反应，进而完成充电过程。当进行放电时，电池主体的正、负极与负载串联，正极侧供应Fe3+，负极侧供应H2；电池主体内，正极发生还原反应，负极发生氧化反应，进而完成对负载的放电过程。
优选地，所述铁-氢储能电池进行放电，所述铁离子供应系统向电池主体的正极供应铁离子溶液或电池主体的正极内置有铁离子溶液；所述铁离子溶液中包含Fe3+，所述氢气供应系统向电池主体的负极供应氢气。
优选地，所述铁-氢储能电池进行充电，所述铁离子供应系统向电池主体的正极供应铁离子溶液或电池主体的正极内置有铁离子溶液；所述铁离子溶液中包含Fe2+和H+。本发明所述铁-氢储能电池的放电过程中，所述电池主体的正极和负极分别连接负载，形成闭合回路，正极侧由铁离子供应系统供应铁离子溶液或电池主体的正极内置铁离子溶液，此处铁离子溶液中包含三价铁离子，负极侧由氢气供应系统供应氢气；电池主体内发生如下反应：
2Fe3++H2→2Fe2++2H+；
反应生成的氢离子经膜材料(质子交换膜和/或离子传导膜)进入正极的铁离子溶液中，三价铁离子转化为二价铁离子；
而所述铁-氢储能电池的充电过程中，正极侧输入铁离子溶液，此处铁离子溶液中包含二价铁离子及铁-氢储能电池的放电过程中产生的质子(H+)，在充电过程中，电池主体内发生如下反应：
2Fe2++2H+→2Fe3++H2；
铁离子溶液中的质子经质子交换膜和/或离子传导膜进入电池主体的负极，经还原反应，生成氢气，同时，在正极侧二价铁离子经氧化反应转化为三价铁离子，进而完成铁-氢储能电池的充电过程。
优选地，所述铁离子溶液为铁盐溶液和/或铁的配合物溶液，优选为铁盐溶液。
优选地，所述铁盐溶液为铁盐和酸的混合溶液。
优选地，所述铁盐包括硫酸铁和/或氯化铁，优选为氯化铁。
优选地，所述酸包括硫酸。
优选地，所述铁盐溶液中铁盐的浓度为0.1-1.9M，例如0.2M、0.4M、0.6M、0.8M、1M、1.2M、1.4M、1.6M或1.8M等，优选为0.8-1.6M。
优选地，所述进行充电或放电的电流各自独立的为25-250mA，例如35mA、50mA、75mA、100mA、125mA、150mA、175mA、200mA或225mA等。
本发明中，所述铁离子供应系统为铁离子供应装置系统，所述氢气供应系统为氢气供应装置系统。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述铁-氢储能电池包含铁离子供应系统、氢气供应系统和电池主体，所述铁离子供应系统中包含铁离子溶液，所述铁离子溶液用于为电池主体的正极供应铁离子，氢气供应系统为电池主体的负极供应氢气，在电池内部构建如下可逆电池反应体系：
其在常温下充电容量可达17.9Ah/L，能量利用率可达83.6％，能量密度可达10.6Wh/L，库伦效率可接近100％，能量效率可超过80％，具有广阔的应用前景；
(2)本发明所述铁-氢储能电池具有成本低，稳定性好的特点，且结构简单，便于携带。
附图说明
图1是本发明所述铁-氢储能电池结构的框架图；
图2是本发明所述电池主体的结构细节图；
图3是本发明所述电池主体内的流体循环方式图(与传输管路连接的孔洞位于外框上)；
图4是本发明所述电池主体内的流体循环方式图(与传输管路连接的孔洞位于电极材料对应的电池主体的周面上)；
图5是本发明应用例12中铁-氢储能电池的放电性能图；
图6是本发明应用例27中铁-氢储能电池的循环充放电曲线图；
图7是本发明应用例27中铁-氢储能电池的循环充放电性能曲线图；
其中，1-外框、2-正极流场板、3-第一正极材料、4-正极密封垫、5-第二正极材料、6-膜材料、7-第二负极材料、8-第一负极材料、9-负极密封垫、10-负极流场板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明所述铁-氢储能电池结构的框架图如图1所示，由图1可以看出，所述铁-氢储能电池包括电池主体，所述电池主体包括正极、膜材料(如图1中的膜)和负极；所述铁-氢储能电池还包括铁离子供应系统，如图1中的铁离子储液容器、循环泵和传输管路，其与电池主体的正极串联构成了铁离子供应的循环系统；所述铁-氢储能电池还包括氢气供应系统，如图1中，其包括氢气储存容器、循环泵和传输管路，将其与电池主体的负极串联构成氢气供应系统；当铁-氢储能电池放电时，其正、负极分别与负载连接；当铁-氢储能电池充电时，其正、负极分别与电源连接。
本发明所述铁-氢储能电池的电池主体的结构细节图如图2所示，由图2可以看出，所述电池主体包括依次设置的外框1、正极流场板2、第一正极材料3、正极密封垫4、第二正极材料5、膜材料6、第二负极材料7、第一负极材料8、负极密封垫9、负极流场板10和外框1；其中，所述正极密封垫上设置有开口，其开口大小对应第二正极材料的大小，使得第一正极材料和第二正极材料可以在开口处接触，且其中第一正极材料和第二正极材料可二选其一，所述第一负极材料和所述第二负极材料可二选其一。
与传输管路连接的孔洞位于外框上时，所述电池主体内的流体循环方式图如图3所示；与传输管路连接的孔洞位于电极材料对应的电池主体的周面上时，所述电池主体内的流体循环方式图如图4所示。
实施例1
本实施例所述铁-氢储能电池的电池主体相较于图2中所示电池主体，其中不采用正、负极流场板、第二正极材料和第一负极材料；其第一正极材料和第二负极材料采用碳纳米管膜；
膜材料采用单面喷铂处理面积为1×1cm2的Nafion 212膜；
密封垫采用PDMS膜，外框采用有机玻璃板，使用胶封成型；
电池的有效面积为1×1cm2。
实施例2
本实施例所述铁-氢储能电池的电池主体相较于图2中所示电池主体，其中不采用正、负极流场板；其第一正极材料采用碳纳米管膜、第二正极材料和第一负极材料采用碳纸；所述第二负极材料采用石墨烯膜；
其中第一负极材料上刮涂Pt/C催化剂，膜材料使用Nafion 211膜；
密封垫使用PDMS膜，外框使用有机玻璃板，使用夹子四周夹紧固定。
电池的有效面积为3×3cm2。
实施例3
本实施例所述铁-氢储能电池的电池主体相较于图2中所示电池主体，其中不采用正、负极流场板；第一正极材料采用碳纳米管膜、第二正极材料采用负载羧基碳管的碳纸，第一负极材料采用碳纸，第二负极材料采用石墨烯膜；
第一负极材料上喷涂Pt/C催化剂，膜材料使用Nafion 115膜；
密封垫用PDMS膜，外框用有机玻璃板；使用螺丝螺母拧紧固定。
电池的有效面积为4×6cm2。
实施例4
本实施例所述铁-氢储能电池的电池主体相较于图2中所示电池主体，其中不采用正、负极流场板；其中，第一正极材料采用镀金碳纳米管膜，第二正极材料采用碳纸，第一负极材料采用碳纸，第二负极材料采用石墨烯膜；
第一负极材料上刮涂Pt/C催化剂，膜材料使用Nafion 115膜；
密封垫用PDMS膜，外框用有机玻璃板；使用螺丝螺母拧紧固定。
电池的有效面积为4×6cm2。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，电池的有效面积为10×5cm2，其他结构和参数与实施例4中完全相同。
测试实施例中的铁-氢储能电池的放电性能，其测试参数如下述应用例所示；
应用例1
测试对象：本应用例采用实施例1中的电池；
测试方法为线性伏安测试方法；参数如下：
初始电压为开路电压，终止电压为0.2V，扫描速率为2mV/s；
正极侧采用25mL 0.2M Fe2(SO4)3+1M H2SO4，循环泵速为0.1mL/min；
负极侧以10mL/min的循环泵速泵入氢气；
本应用例中测试得到电池极限电流密度为8mA·cm-2，峰值功率密度为2.2mW·cm-2。
应用例2
本应用例与应用例1的区别在于，测试对象替换为实施例2中的电池；并将正极侧泵速替换为0.4mL/min，其他参数和条件与应用例1相比完全相同。
本应用例中测试得到电池极限电流密度为11mA·cm-2，峰值功率密度为4.1mW·cm-2。
应用例3
本应用例与应用例1的区别在于，测试对象替换为实施例3中的电池；并将正极侧泵速替换为0.2mL/min，其他参数和条件与应用例1相比完全相同。
本应用例中测试得到电池极限电流密度为38mA·cm-2，峰值功率密度为10mW·cm-2。
应用例4-10
应用例4-10与应用例3的区别仅在于，正极侧采用的铁离子溶液为xFeCl3+1MH2SO4，其中，x表示FeCl3的浓度，应用例4-10中对应的FeCl3的浓度依次分别为0.1M、0.2M、0.4M、0.8M、1.2M、1.6M和1.9M。其他参数和条件与应用例3相比完全相同，其放电性能数据如表1所示；
表1
对比应用例3和应用例6的测试结果可以看出，铁盐溶液采用同浓度的FeCl3，较Fe2(SO4)3具有更高的峰值电流密度和峰值功率密度；对比应用例4-10可以看出，峰值电流密度和峰值功率密度随铁盐溶液浓度的增加而增加，且增长趋势逐渐变缓，此处优选地铁盐溶液中Fe离子的浓度为0.8-1.6M。
应用例11-14
应用例11-14与应用例7的区别仅在于，正极侧的循环泵速依次分别为0.1mL/min、0.3mL/min、0.4mL/min和0.5mL/min，其他条件和参数与应用例7相比完全相同。其放电性能数据如表2所示；
表2
由表2可以看出，正极侧铁离子溶液的泵入速率越大，电池的极限电流密度和峰值功率密度越大，且泵速达到一定值时影响不大，此处优选地泵入速率为0.2-0.5mL·min-1。
应用例12中电池放电曲线和电池功率曲线如图5所示，由图5可以看出，该电池在泵速为0.3mL·min-1时的具体放电特征，没有明显的开路损失和由传质极化引起的电池性能下降。
对实施例4中的电池进行充放电性能测试，测试参数如下述应用例所示；
应用例15-19
测试方法：恒电流充放电方法；
应用例15-19中充放电电流依次分别为25mA、50mA、75mA、100mA和150mA，充电截止电压为0.85V，放电截止电压为0.2V；
正极侧采用的铁离子溶液为4.4mL 0.4M Fe2(SO4)3+1M H2SO4，不循环泵入液体并使电池内部液体与外界隔绝；
负极侧以10mL/min的循环泵速泵入氢气；其充放电性能数据如表3所示；
表3
表中，CE为库伦效率，VE为电压效率，EE为能量效率。
由表3可以看出，充放电电流为25mA时，本发明所述铁-氢储能电池的充/放电容量分别可达17.9Ah·L-1和17.1Ah·L-1，充/放电能量密度13.1Wh·L-1和10.6Wh·L-1，且库伦效率接近100％，电压效率和能量效率均可达80％以上。
应用例20
本应用例与应用例17的区别仅在于，正极层使用的铁离子溶液为5mL 0.3M的Fe(III)(三联吡啶)3，其他条件与应用例17完全相同；
其充/放电容量分别为0.93Ah·L-1和0.82Ah·L-1，充/放电能量密度1.01Wh·L-1和0.25Wh·L-1，CE＝87.7％，VE＝28.5％，EE＝24.8％。
应用例21-26
应用例21-26与应用例19的区别仅在于，正极侧的泵速依次分别为0.75mL·min-1、1.1mL·min-1、1.5mL·min-1、1.9mL·min-1、2.2mL·min-1和2.6mL·min-1，其他参数和条件与应用例19相同；其充放电性能数据如表4所示；
表4
由上表可以看出，正极侧铁离子溶液的泵速提高对充放电的容量、能量密度、能量利用率及能量效率均有一定的促进作用，但当泵度提高到一定是数值时，影响减弱甚至使电池性能略有下降。此处优选泵速为1.1-2.2mL·min-1。
应用例27
本应用例与应用例17的区别仅在于，充电截止电压替换为1.2V，其他参数和条件与应用例17完全相同；
其充/放电容量分别为13.8Ah·L-1和11.9Ah·L-1，充/放电能量分别为11.1Wh·L-1和6.1Wh·L-1，CE＝85.8％，VE＝64.2％，EE＝55.0％。
应用例27中循环充放电曲线如图6所示，循环充放电性能曲线如图7所示；由图6和图7可以看出，对于大面积电池，也有很好的电池循环稳定性和电池性能。
对实施例5中的电池进行充放电性能测试，测试参数如下述应用例所示；
应用例28-31
应用例28-31以实施例5中的电池为测试对象；
测试方法为恒电流充放电测试方法；参数如下：
充/放电电流设为150mA，充电截止电压为1.2V，放电截止电压为0.2V。正极侧使用3mL 0.8M FeSO4+1M H2SO4，循环泵速依次分别为0.75mL·min-1、1.5mL·min-1、1.9mL·min-1和3.0mL·min-1；
负极侧以10mL·min-1的循环泵速泵入氢气；其充放电性能数据如表5所示；
表5
由上表可以看出，泵速对电池性能提升明显，充放电容量和能量密度均有大幅度提升，但是随着泵速提高，可能会造成VE和EE的波动，在实际应用是可以灵活调控。
应用例32
应用例32与应用例30的区别仅在于，充/放电电流替换为250mA；
其充/放电容量分别为5.97Ah·L-1和5.02Ah·L-1，充/放电能量分别为5.89Wh·L-1和1.64Wh·L-1，CE＝84.1％，VE＝33.2％，EE＝27.8％。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (41)
1.一种铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁-氢储能电池包括铁离子供应系统、氢气供应系统和电池主体，所述铁离子供应系统包含铁离子溶液，所述铁离子溶液用于为电池主体的正极供应铁离子，所述氢气供应系统用于为电池主体的负极供应氢气；
所述电池主体包括依次设置的正极、膜材料和负极，所述正极包含正极材料，所述负极包含负极材料；
所述电池主体还包括外框，所述外框设置于所述正极材料和所述负极材料的外侧；
所述电池主体还包括流场板，所述流场板位于正极侧外框和所述正极材料之间和/或所述流场板位于负极侧外框和所述负极材料之间；
所述正极材料包括靠近外框一侧的第一正极材料和靠近膜材料一侧的第二正极材料；所述负极材料包括相邻设置的第一负极材料和第二负极材料，所述第二负极材料与所述膜材料相邻；
所述电池主体还包括密封垫，所述密封垫用于保持电池自身的密闭性；
所述正极密封垫上设置有开口，其开口大小对应第二正极材料的大小，使得第一正极材料和第二正极材料在开口处接触。
2.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁离子溶液为铁盐溶液和/或铁的配合物溶液。
3.如权利要求2所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁盐溶液包括硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁或氯化亚铁溶液中的任意一种或至少两种的组合。
4.如权利要求2所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁的配合物溶液中的配合物包括三联吡啶、邻菲罗啉或吡啶羧酸中的任意一种或至少两种的组合。
5.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述电池主体为密闭结构。
6.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述膜材料选自质子交换膜和/或离子传导膜。
7.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述正极材料和负极材料各自独立的选自石墨毡、碳纤维毡、石墨烯膜或碳纳米管膜中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述正极材料和负极材料各自独立的选自经表面修饰的石墨毡、碳纤维毡、石墨烯膜或碳纳米管膜中的任意一种或至少两种的组合。
9.如权利要求8所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述表面修饰包括化学处理和/或电化学处理。
10.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述膜材料靠近负极的一侧表面和/或所述负极材料上包含具有氢电氧化能力的催化剂。
11.如权利要求10所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述具有氢电氧化能力的催化剂包括单一贵金属催化剂、贵金属合金催化剂或非贵金属氢电氧化催化剂中的至少一种。
12.如权利要求11所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述单一贵金属催化剂包括Pt/C催化剂。
13.如权利要求11所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述贵金属合金催化剂包括Pt-Ru合金催化剂。
14.如权利要求11所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述非贵金属氢电氧化催化剂包括Fe基催化剂和/或Mn基催化剂。
15.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述外框的材质选自金属材料、石墨板材料或有机玻璃板材料中的任意一种或至少两种的组合。
16.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述流场板的材质各自独立的选自石墨材质、金属材质、合金材质或聚合物材质中的任意一种或至少两种的组合。
17.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述密封垫的材质包括塑料材料和/或橡胶材料。
18.如权利要求17所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述塑料材料选自PDMS和/或PE。
19.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁离子供应系统包括铁离子储液容器、正极传输管路和循环泵，所述正极传输管路的两端分别连接所述铁离子储液容器和所述电池主体的正极，所述循环泵用于将所述铁离子储液容器中的液体输送到所述电池主体的正极材料中，其中，所述铁离子溶液位于所述铁离子储液容器中；
或，所述铁离子供应系统包含内置在电池主体的正极内的铁离子溶液。
20.如权利要求19所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁离子储液容器、正极传输管路、循环泵及电池主体的正极间形成串联回路。
21.如权利要求19所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述正极传输管路与所述电池主体上的孔洞连接，所述孔洞位于正极侧端面的外框上和/或正极侧的周面上。
22.如权利要求19所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述铁离子储液容器的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
23.如权利要求19所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述正极传输管路的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
24.如权利要求1所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述氢气供应系统包括氢气储存容器、负极传输管路和循环泵，所述负极传输管路的两端分别连接所述氢气储存容器和所述电池主体的负极，所述循环泵用于将所述氢气储存容器中的氢气传输到所述电池主体的负极材料中。
25.如权利要求24所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述氢气储存容器、负极传输管路、循环泵及电池主体的负极间形成回路。
26.如权利要求24所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述氢气储存容器的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
27.如权利要求24所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述氢气供应系统采用自发产氢方式获得氢气。
28.如权利要求24所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述负极传输管路与所述电池主体上的孔洞连接，所述孔洞位于负极侧端面的外框上和/或负极侧的周面上。
29.如权利要求24所述的铁-氢储能电池，其特征在于，所述负极传输管路的材质选自金属材质、塑料材质或玻璃材质中的任意一种或至少两种的组合。
30.如权利要求1-29任一项所述的铁-氢储能电池的应用，其特征在于，所述铁-氢储能电池进行放电，将所述铁-氢储能电池的电池主体的正极和负极与负载连接形成回路；
或所述铁-氢储能电池进行充电，将所述铁-氢储能电池的电池主体的正极和负极与电源连接形成回路。
31.如权利要求30所述的应用，其特征在于，所述铁-氢储能电池进行放电，所述铁离子供应系统向电池主体的正极供应铁离子溶液；所述铁离子溶液中包含Fe3+，所述氢气供应系统向电池主体的负极供应氢气。
32.如权利要求30所述的应用，其特征在于，所述铁-氢储能电池进行充电，所述铁离子供应系统向电池主体的正极供应铁离子溶液；所述铁离子溶液中包含Fe2+和H+。
33.如权利要求32所述的应用，其特征在于，所述铁离子溶液为铁盐溶液和/或铁的配合物溶液。
34.如权利要求33所述的应用，其特征在于，所述铁离子溶液为铁盐溶液。
35.如权利要求33所述的应用，其特征在于，所述铁盐溶液为铁盐和酸的混合溶液。
36.如权利要求35所述的应用，其特征在于，所述铁盐包括硫酸铁和/或氯化铁。
37.如权利要求35所述的应用，其特征在于，所述铁盐为氯化铁。
38.如权利要求35所述的应用，其特征在于，所述酸包括硫酸。
39.如权利要求35所述的应用，其特征在于，所述铁盐溶液中铁盐的浓度为0.1-1.9M。
40.如权利要求39所述的应用，其特征在于，所述铁盐溶液中铁盐的浓度为0.8-1.6M。
41.如权利要求30所述的应用，其特征在于，所述进行充电或放电的电流各自独立的为25-250mA。
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