CN204651405U - 一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置 - Google Patents

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陈殿磊
吴艳民
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Abstract

本实用新型公开了一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，正极电解液和负极电解液均储存在电解液储存罐中，正极电解液和负极电解液中间由离子交换膜隔开，正极电解液和负极电解液底部均装有磁力搅拌器，正电极插入正极电解液中，负电极插入负极电解液中，氮气瓶通过氮气管连接到电解液储存罐的负极电解液侧。电流表的一端分别连接到放电负载、电压表和恒压电源，电流表的另一端连接到负电极。正电极分别连接到放电负载、电压表和恒压电源。开关1与放电负载串联，开关2与恒压电源串联。计算机信息采集器通过通信控制线分别连接到电压表和电流表。本实验装置，可系统评价电池堆结构和电解液流体力学行为对电池充放电特性影响。

Description

一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置
技术领域
本实用新型涉及一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置。
背景技术
全钒氧化还原液流电池(VRB)是一种新型的化学电源，以溶解在电解液中不同价态的钒离子作为电池正极和负极活性物质，正极电解液和负极电解液分开储存，从原理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。由于全钒氧化还原液流电池对于风能、太阳能等可再生能源发电过程具有特殊重要意义，作为可再生能源利用过程关键技术在国际上得到优先发展。
液流电池隔膜作用是防止正负极活性物质直接接触产生自放电，理想的液流电池隔膜对正负极活性物质具有良好的分隔性能，同时许可充放电过程中参与电荷传递的氢离子自由通过，减小电池内阻，为此需要开发一种实验装置。
为了研究测定V4+和V5+两种钒离子通过不同离子交换膜时扩散系数，考察电池隔膜对电池自放电过程和电池效率影响，并在此基础上建成全钒氧化还原液流电池堆，系统评价电池堆结构和电解液流体力学行为对电池充放电特性影响，也需要开发一种全钒氧化还原液流电池的实验装置。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，其能够测定V4+和V5+两种钒离子通过不同离子交换膜时扩散系数，考察离子交换膜对电池自放电过程和电池效率影响，并在此基础上建成全钒氧化还原液流电池堆，系统评价电池堆结构和电解液流体力学行为对电池充放电特性影响。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，其特征在于：主要包括恒压电源、电压表、放电负载、正电极、正极电解液、离子交换膜、磁力搅拌器、电解液储存罐、负极电解液、氮气瓶、氮气管、负电极、计算机信息采集器、通信控制线、电流表、开关1、开关2。其中，正极电解液和负极电解液均储存在电解液储存罐中，正极电解液和负极电解液中间由离子交换膜隔开，正极电解液和负极电解液底部均装有磁力搅拌器，正电极插入正极电解液中，负电极插入负极电解液中，氮气瓶通过氮气管连接到电解液储存罐的负极电解液侧。电流表的一端分别连接到放电负载、电压表和恒压电源，电流表的另一端连接到负电极。正电极分别连接到放电负载、电压表和恒压电源。开关1与放电负载串联，开关2与恒压电源串联。计算机信息采集器通过通信控制线分别连接到电压表和电流表。
本实用新型通过采用上述原理和结构，能够组成一个全钒液流单电池实验装置，从而可以测定V4+和V5+两种钒离子通过不同离子交换膜时扩散系数，考察离子交换膜对电池自放电过程和电池效率影响，并在此基础上建成全钒氧化还原液流电池堆，系统评价电池堆结构和电解液流体力学行为对电池充放电特性影响。
附图说明
附图1是一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置。
1-恒压电源；2-电压表；3-放电负载；4-正电极；5-正极电解液；6-离子交换膜；7-磁力搅拌器；8-电解液储存罐；9-负极电解液；10-氮气瓶；11-氮气管；12-负电极；13-计算机信息采集器；14-通信控制线；15-电流表；16-开关1；17-开关2。
现结合说明书附图1对本实用新型作进一步详细说明：
具体实施方式
如附图1所示，本实用新型所述的一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，主要包括恒压电源、电压表、放电负载、正电极、正极电解液、离子交换膜、磁力搅拌器、电解液储存罐、负极电解液、氮气瓶、氮气管、负电极、计算机信息采集器、通信控制线、电流表、开关1、开关2。其中，正极电解液（5）和负极电解液（9）均储存在电解液储存罐（8）中，正极电解液（5）和负极电解液（9）中间由离子交换膜（6）隔开，正极电解液（5）和负极电解液（9）底部均装有磁力搅拌器（7），正电极（4）插入正极电解液（5）中，负电极（12）插入负极电解液（9）中，氮气瓶（10）通过氮气管（11）连接到电解液储存罐（8）的负极电解液（9）侧。电流表（15）的一端分别连接到放电负载（3）、电压表（2）和恒压电源（1），电流表（15）的另一端连接到负电极（12）。正电极（4）分别连接到放电负载（3）、电压表（2）和恒压电源（1）。开关1（16）与放电负载（3）串联，开关2（17）与恒压电源（1）串联。计算机信息采集器（13）通过通信控制线（14）分别连接到电压表（2）和电流表（15）。
（一）实验部分
（1）化学药品与装置
分别选用离子交换膜A(膜面电阻<15Ω·cm2)和离子交换阳膜B(膜面电阻<40Ω·cm2)作为不同的离子交换膜（6），考察不同价态钒离子的扩散特性，为比较和确定离子交换膜（6）材料提供依据。使用改性后的石墨毡作为正电极（4）和负电极（12），进行充放电特性评价。本实验开发了300mm×500mm的电池堆，有效电极面积700cm2，单电池厚度10mm左右。实验过程使用微量滴定管确定体积，采用精密酸度计进行电化学滴定确定钒离子浓度，通过计算机信息采集器（13），实现对单电池和电池堆的全程实时监控。
（2）单电池充放电研究
附图1所示的一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，负极电解液（9）通入氮气，防止负极电解液（9）被空气氧化。正极电解液（5）和负极电解液（9）通过磁力搅拌器（7）的搅拌，使正电极（4）和负电极（12）的表面与溶液本体离子浓度均匀一致，减小电极表面超电势。采用恒压电源（1）进行恒压充电和采用放电负载（3）进行恒负载放电，充电终止电流和放电终止电压分别为0.1A和0.8V，电压、电流的采集频率为1次/秒，控制系统根据设定条件，自动切换充放电状态，每组实验连续考察10个循环以上。正极电解液（5）为750ml的0.9mol/L V4+与2mol/L H2S04的水溶液；负极电解液（9）为0.9mol/L V3+与2mol/L H2S04的水溶液，分别以膜A和膜B为离子交换膜（6）进行充放电实验，其它条件不变。
（二）结论
（1）分别以膜A和膜B为离子交换膜（6），考察单电池充放电过程储能容量和电池库仑效率变化。以膜B为电池离子交换膜（6）时，由于钒离子在膜内扩散系数较小，正电极（4）侧的高价态钒离子通过离子交换膜（6）进入负电极（12）侧数量较少，每一个循环过程由于自放电产生的储能容量变化不大，曲线变化较为平缓。因此，在不同充放电循环过程电池库仑效率变化不大，总体效率达到90%。以膜A为电池离子交换膜（6）时，由于正负极钒离子的相互扩散产生的自放电影响较大，电池的储能容量急剧递减，电池性能劣化现象严重，充放电平均库仑效率仅有75%。
（2）以规模化电能高效转化和储存为目标，该实用新型装置可以系统研究和评价全钒氧化还原液流电池材料，测定离子交换膜（6）传质特性，开发的单电池充放电循环过程容量稳定，库仑效率达到90%；电堆充电电压4.5V，充电初始电流15mA/cm2，放电初始开路电压为4.4V，工作电压在3.6～2.8V之间，放电功率10W左右，电池容量达到50Wh。
本实用新型所述的一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，可以测定V4+和V5+两种钒离子通过不同离子交换膜时扩散系数，考察离子交换膜对电池自放电过程和电池效率影响，并在此基础上建成全钒氧化还原液流电池堆，系统评价电池堆结构和电解液流体力学行为对电池充放电特性影响。
对于本实用新型领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，对所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种进行全钒氧化还原液流电池堆研究的实验装置，其特征在于：主要包括恒压电源（1）、电压表（2）、放电负载（3）、正电极（4）、正极电解液（5）、离子交换膜（6）、磁力搅拌器（7）、电解液储存罐（8）、负极电解液（9）、氮气瓶（10）、氮气管（11）、负电极（12）、计算机信息采集器（13）、通信控制线（14）、电流表（15）、开关1（16）、开关2（17）；其中，正极电解液（5）和负极电解液（9）均储存在电解液储存罐（8）中，正极电解液（5）和负极电解液（9）中间由离子交换膜（6）隔开，正极电解液（5）和负极电解液（9）底部均装有磁力搅拌器（7），正电极（4）插入正极电解液（5）中，负电极（12）插入负极电解液（9）中，氮气瓶（10）通过氮气管（11）连接到电解液储存罐（8）的负极电解液（9）中；电流表（15）的一端分别连接到放电负载（3）、电压表（2）和恒压电源（1），电流表（15）的另一端连接到负电极（12）；正电极（4）分别连接到放电负载（3）、电压表（2）和恒压电源（1）；开关1（16）与放电负载（3）串联，开关2（17）与恒压电源（1）串联；计算机信息采集器（13）通过通信控制线（14）分别连接到电压表（2）和电流表（15）。
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