CN209860061U - 一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池 - Google Patents

一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池 Download PDF

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Abstract

一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，属于液流电池属于技术领域。本实用新型提供的再平衡电池包括阳极流场板，阳极活性物质，阳极扩散层，阳极催化层，隔膜，阴极流场板，阴极反应层和阴极活性物质；其中：所述阳极活性物质为氢气；所述阳极催化层采用催化剂与粘结剂混合物涂覆在阳极扩散层或者隔膜上，所述催化剂包括：纳米碳粉载硫化铑、纳米碳管载硫化铑、石墨烯载硫化铑、或者无支持物的纳米硫化铑；所述阴极活性物质为液流电池正极活性物质的氧化态或者液流电池负极活性物质的氧化态。本实用新型提供的再平衡电池解决了传统再平衡电池工作中负极催化剂不稳定的问题，避免造成整个系统液流电池电解液被铂离子污染。

Description

一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池
技术领域
本实用新型液流电池属于技术领域，具体涉及一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池。
背景技术
传统化石能源的大量使用导致了很多问题，包括环境污染、气候变暖等。大力发展以风能和太阳能为代表的可再生能源是实现能源供给清洁化、可持续化的有效途径。但可再生能源具有间歇性、波动性等特点，往往会对电网造成较大的冲击，这是限制其大规模应用的瓶颈。发展电网级的储电系统是解决这一问题的有效途径。在现有的大规模储电技术中，液流电池可扩展性好，安全性好，寿命长，全周期寿命低，具有广阔的发展前景。
在液流电池中，活性物质一般以离子形式溶解在液态电解液里。正负极电解液储存在外部的储液罐里，当电池运行时，正极电解液和负极电解液被分别驱动输送到正极和负极发生电化学反应以储存或释放电能。以不同活性物质分类，现有的液流电池主要包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等。这些液流电池负极的氧化还原电对(包括V(II)/V(III)、Cr(II)/Cr(III)、Zn/Zn(II)电对等)的电位一般小于0V vs.SHE，充电时负极产生析氢现象，在电池长期运行过程中，正极电解液荷电状态会逐渐升高，导致正极电解液和负极电解液的荷电状态不匹配，造成电池容量衰减；同时，负极析出的易燃易爆的氢气，聚集在封闭的储液罐中，造成了一定的安全性隐患。再平衡电池本质是一种可充电式燃料电池，以液流电池负极析出的氢气为阳极活性物质，能够实时平衡液流电池正负极电解液荷电状态并恢复电池容量。传统再平衡电池采用的阳极催化剂为铂催化剂，稳定性较差，长时间运行时会被腐蚀溶解于电解液中，造成整个液流电池系统电解液的污染，因为铂离子传输到液流电池负极沉积出来，会加速析氢现象。因此在实际应用中存在不足，亟需发展一种能够避免上述问题的再平衡电池。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种稳定性高的再平衡电池。用于调节液流电池正负极电解液荷电状态并能有效恢复电池容量。
为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案具体如下：
一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，包括：阳极流场板，阳极活性物质，阳极扩散层，阳极催化层，隔膜，阴极流场板，阴极反应层和阴极活性物质；所述阳极活性物质为氢气；所述阳极催化层采用催化剂与粘结剂混合物涂覆在阳极扩散层或者隔膜上，所述催化剂包括：纳米碳粉载硫化铑、纳米碳管载硫化铑、石墨烯载硫化铑、或者无支持物的纳米硫化铑；所述阴极活性物质为液流电池正极活性物质的氧化态，再平衡电池工作时处于放电状态；所述阴极活性物或者为液流电池负极极活性物质的氧化态，再平衡电池工作时处于充电状态。
进一步地，所述阳极流场板的进出口连接管道设置在液流电池负极储液罐电解液的液面以上空间，通过驱动装置将所述负极储液罐中的气体循环输送到再平衡电池阳极流场板；所述阴极流场板的进出口连接管道设置在液流电池正极储液罐电解液液面以下空间，通过驱动装置将液流电池正极电解液循环输送到再平衡电池阴极流场板，再平衡电池工作在放电模式；或者所述阴极流场板的进出口连接管道设置在液流电池负极储液罐电解液液面以下空间，通过驱动装置将液流电池负极电解液循环输送到再平衡电池阴极流场板，再平衡电池工作在充电模式。
进一步地，所述流场板可以采用石墨、复合碳素材料、金属等材料，使用机械加工、压铸等工艺制成；流场板流型可以是平行流场、蛇形流场(包括单蛇形流场和多蛇形流场)、叉指型流场等。
进一步地，所述阳极扩散层可以采用碳纸、碳布、多孔泡沫金属等材料。
进一步地，所述粘结剂包括：全氟磺酸、聚全氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或多种。
进一步地，所述阴极反应层采用碳纸、碳布、碳毡材料中的一种或多种，并进行亲水改性处理；处理方法包括热空气处理、硫酸处理、硝酸处理、硫酸硝酸混酸处理中的一种或多种。
进一步地，所述阳极催化剂还可以通过原位制备工艺直接生长于阳极扩散层上，原位制备工艺包括电化学沉积、气相反应。
进一步地，所述隔膜材料为全氟磺酸，磺化聚醚醚酮，或者酸掺杂的聚苯并咪唑，所述酸掺杂的聚苯并咪唑中酸的选择可以是盐酸、硫酸、磷酸、氢溴酸等中的一种或多种。
进一步地，所述隔膜的厚度为10～1000微米。
相比现有技术，本实用新型的有益效果如下：
通过将阳极流场板、阳极扩散层、阳极催化层、隔膜、阴极反应层、阴极流场板层层组装得到再平衡电池，将液流电池负极储液罐的气体循环输送到再平衡电池的阳极流场板，将正极储液罐中电解液或者负极储液罐中电解液循环输送到再平衡电池的阴极流场板，采用硫化铑催化剂作为再平衡电池阳极催化剂，硫化铑催化剂对氢气氧化反应具有较高活性，并且具有良好的化学稳定性，不易被腐蚀溶解，解决了传统再平衡电池工作中铂催化剂易被腐蚀溶解的问题，避免造成整个系统污染。
附图说明
图1为实施例1的示意图。
图中，1为液流电池负极电解液，2为液流电池正极电解液，3为液流电池负极，4为液流电池正极，5为隔膜，6为负载，7为再平衡电池。
具体实施方式
为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本实用新型方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。
实施例：
本实施例提供一种再平衡电池，电池结构及其与液流电池的连接示意如图1所示：
活性物质配置如下：
阴极活性物质：水溶液20ml，其中含有0.5mol L-1FeCl3，3mol L-1HCl；
阳极活性物质：4％/96％氢气/氮气混合气体，一个大气压；
再平衡电池组装如下：
再平衡电池7，包括阳极，隔膜和阴极；阳极包括阳极铝端板、阳极铜集流板、阳极叉指型石墨流场板、阳极扩散层(2×2cm2碳布)、阳极催化层(2×2cm2碳载硫化铑催化剂,碳/硫化铑质量比2∶3，催化剂载量2mg cm-2)、隔膜(Nafion117)、阴极反应层(2×2cm2碳布)、阴极叉指型石墨流场板、阴极铜集流板和阴极铝端板；
所述阳极叉指型石墨流场板的进出口连接管道设置在液流电池负极储液罐中阴极电解液1的液面以上空间，通过驱动装置将液流电池负极储液罐中的气体循环输送到再平衡电池阳极流场板，所述液流电池负极储液罐中的气体作为阳极活性物质，通常为混有氢气的惰性气体；所述阴极叉指型石墨流场板的进出口连接管道设置在液流电池正极储液罐中液流电池正极电解液2的液面以下空间，通过驱动装置将液流电池正极电解液2循环输送到再平衡电池阴极流场板。
液流电池析氢时反应如下所示：
液流电池负极3：Cr3++e-＝>Cr2+
负极副反应[氢气析出]：2H++2e-＝>H2
液流电池正极4：Fe2+＝>Fe3++e-
再平衡电池的反应如下所示：
再平衡电池阳极：H2＝>2H++2e-
再平衡电池阴极：Fe3++e-＝>Fe2+
经测试，在室温下，再平衡电池在20mA/cm2电流密度下恒流放电，进行氢气的氧化和三价铁离子的还原，输出电压为0.45V。
以上结合附图对本实用新型的实施例进行了详细阐述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护。

Claims (9)

1.一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，包括：阳极流场板，阳极活性物质，阳极扩散层，阳极催化层，隔膜，阴极流场板，阴极反应层和阴极活性物质；所述阳极活性物质为氢气；所述阳极催化层采用催化剂与粘结剂混合物涂覆在阳极扩散层或者隔膜上，所述催化剂为：纳米碳粉载硫化铑、纳米碳管载硫化铑、石墨烯载硫化铑、或者无支持物的纳米硫化铑；所述阴极活性物质为液流电池正极活性物质的氧化态或者液流电池负极活性物质的氧化态。
2.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述阳极流场板的进出口连接管道设置在液流电池负极储液罐电解液的液面以上空间，通过驱动装置将所述液流电池负极储液罐中的气体循环输送到再平衡电池阳极流场板；所述阴极流场板的进出口连接管道设置在液流电池正极储液罐电解液液面以下空间，通过驱动装置将液流电池正极电解液循环输送到再平衡电池阴极流场板，再平衡电池工作时处于放电过程；或者所述阴极流场板的进出口连接管道设置在液流电池负极储液罐电解液液面以下空间，通过驱动装置将液流电池负极电解液循环输送到再平衡电池阴极流场板，再平衡电池工作时处于充电过程。
3.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述流场板的材料为石墨、复合碳素材料或者金属；流场板的流型为平行流场、蛇形流场或者叉指型流场。
4.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，阳极扩散层的材料为碳纸、碳布或多孔泡沫金属。
5.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述粘结剂为：全氟磺酸、聚全氟乙烯或聚偏二氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述阳极催化层通过原位制备工艺直接生长于阳极扩散层上，原位制备工艺包括电化学沉积、气相反应。
7.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述隔膜材料为全氟磺酸，磺化聚醚醚酮，或者酸掺杂的聚苯并咪唑，所述酸掺杂的聚苯并咪唑中酸为盐酸、硫酸、磷酸或氢溴酸。
8.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述隔膜的厚度为10～1000微米。
9.根据权利要求1所述的一种用于液流电池容量恢复的再平衡电池，其特征在于，所述液流电池负极平衡电位小于0V,包括铁铬液流电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、全铁液流电池、锌碘液流电池或者铁钒液流电池。
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