[發明專利]一種在線測定溶液中離子淌度的方法

有效

• 申請號: 201710342440.9
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107204474B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 徐謙;張飛虎;蘇華能;秦立宇;徐麗;李華明
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M8/023
• 分類號: H01M8/023;H01M8/0258;H01M2/14;G01N27/49
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1.一種液流電池，其特征在于，所述液流電池包括一個外殼，所述外殼內包括一個膜電極組裝體、一個不銹鋼環(4)、一個絕緣隔膜(5)、一個第三多孔電極(6)、一個第一流場板(7)、一個漂移管(8)和一個第二流場板(10)；

所述膜電極組裝體包括一個第一多孔電極(1)、一個電解質膜(2)和一個第二多孔電極(3)，所述第一多孔電極(1)、一個電解質膜(2)和第二多孔電極(3)依次連接；在所述第一多孔電極(1)遠離電解質膜(2)的一側設有第二流場板(10)，在所述第二流場板(10)的頂端設有集電極(9)；在第二多孔電極(3)遠離電解質膜(2)的一側設有第三多孔電極(6)，在所述第二多孔電極(3)和第三多孔電極(6)之間設有一個空隙(11)；在所述空隙(11)中，沿第二多孔電極(3)到第三多孔電極(6)的方向依次設有不銹鋼環(4)絕緣隔膜(5)；在所述第三多孔電極(6)遠離空隙(11)的一側設有第一流場板(7)；在所述第一流場板(7)和第二流場板(10)上均設有流場入口和流場出口；

所述絕緣隔膜(5)設于所述不銹鋼環(4)和第三多孔電極(6)之間，所述不銹鋼環(4)和絕緣隔膜(5)的上方有一個空隙(11)；

所述漂移管(8)將所述第三多孔電極(6)覆蓋，或者所述漂移管(8)將所述第三多孔電極(6)和所述第一流場板(7)覆蓋。

2.一種利用權利要求1所述的液流電池進行在線測定溶液中離子淌度的方法，其特征在于，步驟如下：

步驟1、找出待測離子淌度的離子的其他價態離子鹽，構成待測離子氧化還原電對；

步驟2、尋找與步驟1中所述的待測離子氧化還原電對相匹配的匹配氧化還原電對，所找出的匹配氧化還原電對應與待測離子氧化還原電對應有0.5V以上的電勢差，構成液流電池兩極的活性物質，其中電勢高的作為正極，電勢低的作為負極；

步驟3、取下漂移管(8)，并且不加外加電場，在所述液流電池上進行放電測試，找出此時的極限電流，具體如下：將步驟2中活性物質分別溶解于2mol/L的稀鹽酸溶液中，構成液流電池的正負極電解液；待測離子側的活性物質濃度為配對離子側濃度的五分之一到三分之一，確保極限電流是由待測離子出現傳輸極限而引起的；

在電化學測試系統設定放電程序：從開路電壓開始，逐漸加大放電電流，增加幅度為2mA/cm²，在每個電流停留5秒并記錄一次電流和電壓值；當放電電壓低于0.4V時，電流密度的增加變成1mA/cm²；直到液流電池的放電電壓降低為零，停止放電程序，完成測量；在放電電壓為零時測到的電流值即為待測離子引起的極限電流；

步驟4、在所述液流電池上設置漂移管(8)，漂移管(8)連接直流電源，加外加電場進行放電測試，找出此時的極限電流，具體如下：

在液流電池開始放電之后，接通漂移管(8)的開關，使待測離子側的第三多孔電極(6)處于一個均勻的直流電場中；到液流電池的放電電壓降低為零，停止放電程序，完成測量；此時測到的電流值即為待測離子在外加電場作用下的極限電流；

步驟5、由法拉第定律可知，在電解質溶液中，離子的流動產生了電流密度：

i_i＝z_iN_iF (1)，

其中，i_i為液流電池的電流密度，z_i為待測離子的電荷數，N_i為待測離子的流通量，F為法拉第常數；

待測離子溶液用泵打入流場后，穿透所述第三多孔電極和所述空隙到達膜電極組裝體的催化層，待測離子以濃度c_s,i參與電化學反應；從流場到催化層之間的流通量N_i表示為：

其中L和l是多孔電極和空隙層的厚度，D_i^eff是待測離子i在多孔電極中的有效擴散系數，D_i是該待測離子i在電解液中的本征擴散系數；c_f,i為流場內的待測離子濃度；

在工作電池結構外套上一個漂移管，在漂移管上人工加一個電場，則在此情況下通過第三多孔電極的流通量N_i可表示為：

其中是由于電場強度引起的遷移量；若此時電池放電到極限電流i_lim,2，聯立方程(1)～(3)，則引發極限電流的待測離子的離子淌度u_i在該電解液中表示為：

其中i_lim,1是無外加電場時的極限電流，故只要測出有/無外加電場時的極限電流值就能確定相應工況下的淌度。

3.根據權利要求2所述的液流電池進行在線測定溶液中離子淌度的方法，其特征在于，所述待測離子氧化還原電對與匹配氧化還原電對中使用的離子包括鋅離子，鈦離子，鉻離子，釩離子，銅離子，鐵離子，錳離子，鈷離子，鈰離子中的其中一種。