[發明專利]陰離子交換膜在鐵-鉻系液相流體電池中的應用

在審

• 申請號: 201110449046.8
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102832363A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 馬志啟
• 申請（專利權）人: 馬志啟
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M8/20;H01M8/24;B01D15/04;B01D71/52;B01D71/66
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技術領域

本發明涉及陰離子交換膜在鐵-鉻系液相流體電池中的應用。?

背景技術

液相流體儲能電池是一種能量轉換裝置，充電時可以將電能儲存在電解質溶液中，放電時可以將以前儲存的能量重新轉化回電能釋放出來。顧名思義，其電解質溶液呈液體狀態，可以用輸送泵將電解質溶液根據需要傳送到電池中進行能量轉化或者傳送到儲罐中保存。電解質溶液儲罐、液體循環泵、以及外部電源和負載鏈接組件均為電源系統中的重要設備。而電池為整個儲能電源系統的核心設備。該種電池的特征決定了其擁有廣闊的應用前景，不僅可以是將來智能電網中的關鍵設備與風能、太陽能聯合使用，也是可以服務于傳統電網的有效儲能設備。?

通常液流儲能電池是由多個單電池疊加起來組成的電池堆。電池堆可以再通過電和(或者)流體上的串并聯構成更大規模的電池堆，其大小取決于具體的應用設計。其中一個單電池的結構是由雙極板、正電極、電解質隔膜(或者離子交換膜)、負電極、和雙極板構成的。其中電池系統的核心部分，則是由正電極、負電極和它們中間的電解質隔膜構成。鐵-鉻系液流電池即為該類液流儲能電池的一種。其工作的原理為在開始時將含有Fe²⁺的溶液(如FeCl₂)由泵自其儲罐中輸入到電池正極上，將含有Cr³⁺的溶液(如CrCl₃)自其儲罐中輸入到電池負極上。在正負電極之間的電解質隔膜可以是質密膜也可以是多孔膜，其起到傳導電荷載體如質子和其它正負離子等的作用，電池工作時內部電流全部通過這一隔離膜。利用外部電源在兩個電極上施加高于電池平衡電壓(1.18V)的電壓，電極上就開始有電化學反應，充電開始。正極上Fe²⁺被轉化成Fe³⁺；同時負極上Cr³⁺被轉化成Cr²⁺。轉換后的高能量的電解質溶液被循環回到各自的儲罐中儲存。充電過程就是通過電極上的電化學反應實現化學物質的轉化，將電能儲存于電解質溶液中的過程；反之，在外部負載需要能量時，經由同樣的流體輸送方法將儲罐中的電解質溶液輸入到電池中，外部有一定的負載聯接，電池即開始放電。放電過程電極上的電化學反應逆向進行，將能量釋放出來傳送到外部負載。在設計合理材料穩定的條件下，系統完全可以實現比傳統的固態電池更多次的周而復始地充放電的循環操作。?

由上可見，電解質膜材料對電池的性能起著至關重要的作用。早期以美國航空航天局(NASA)為主導的鐵-鉻系液流電池的研究中，采用質子交換膜技術。但是，質子交換膜雖然電導率較大，也有選擇性不好的缺陷，而且成本高昂。再?者其電導率也依賴于電解質溶液中酸的濃度大小。酸濃度高，電導率才高，腐蝕性強。酸濃度的高低也對電解質溶液中有效儲能物質的濃度有很大影響。雖然嘗試過陰離子交換膜，但是由于那時NASA所研制的膜的性能一直達不到電池操作的要求，從而放棄了陰離子交換膜在該類電池中的應用。目前正在研發的鐵-鉻系液流電池產品為了降低成本不再使用質密的質子交換膜，而是用廉價的多孔膜代替，無任何離子選擇性。雖然效率仍然可以達到70％以上，但是因為電池內部通過多孔膜的兩極電解質溶液混合現象嚴重，造成了一定的能量損失。?

發明內容

針對上述現有技術存在的缺陷和不足之處，本發明提供一種新型廉價的陰離子交換膜材料在鐵-鉻系液相流體電池中的應用。?

本發明的目的是這樣實現的：陰離子交換膜在鐵-鉻系液相流體電池中的應用，優選陰離子交換膜作為正負電極之間的電解質隔膜構成電池。本發明所使用的陰離子交換膜材料為季銨化聚醚醚酮材料(QAPEEK)陰離子交換膜、季銨化聚醚砜酮材料(QAPPESK)陰離子交換膜或帶有季膦鹽功能基團的陰離子交換膜等。?

所說的陰離子交換膜，對于氯離子具有選擇透過性，對鐵離子的透過性小于150μg?Fe³⁺/hr·cm²·M；同時其導電率對于氯離子為在常溫常壓下不小于0.006S·cm^-1，或者電阻率低于2.5Ω·cm²。?

所說的陰離子交換膜，膜厚度最好在50～300μm之間。?

所說的液相流體電池可以是單電池，或是由多個電池組成的電池堆。?