[发明专利]一种氢溴储能电池结构

说明书

技术领域

本发明涉及储能电池领域，具体为一种新型的氢溴储能电池结构。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的提高，整个社会对电能的需求越来越多，依赖程度也越来越高。社会对电能的需求昼夜相差很大，用电低谷时大量电能被浪费，利用率低。而风能、太阳能输出的不稳定性难以满足社会对持续、稳定、可控的电力能源需求。为提高电能利用率、保证可再生能源发电系统的稳定供电，必须开发电流密度大、效率高的储能技术。

氢溴储能电池是一种高效的储能技术。由于溴电极比氧电极具有更高的可逆性，氢溴储能电池与氢氧可再生燃料电池相比电解电压低、燃料电池电压高，具有更高的储能效率。工作时，电解液通过循环泵输送到电池内，在电极上完成电化学反应后流出电池回到储液罐中。其电极反应为：

正极反应：E°＝1.098V

负极反应：E°＝0.000V

在标准状态下，电池的正负极电势差是1.098V。

美国专利US4520081中提出一种氢溴燃料电池的结构，电池端板材料采用石墨，溴电极和氢电极流场均为石墨毡，氢电极则是在石墨上镀铂。这种电池结构存在催化活性较差，接触电阻大等缺点。美国专利US5833834介绍了一种制氢系统，包括氢溴酸电解池、氢溴燃料电池和太阳能反应器。但该专利中未给出氢溴酸电解池和氢溴燃料电池的具体结构。专利WO2006110780介绍了一种电化学制氢方法，利用电解池电解SO₂和水或电解HBr气体制备氢气，阴阳极为多孔气体扩散电极，流场为多孔碳。这种结构的电解池有利于气体的传输，但是电解氢溴酸溶液时多孔气体扩散电极不利于液体的传输。

从以上专利看出，氢溴燃料电池采用石墨材料为电极，催化活性低并且与膜的接触电阻大；多孔碳作为溴电极流场或扩散层在高电压下会发生碳材料的耐腐；溴电极采用气体扩散电极不利于液体的传输。同时，溴电极侧的水会扩散到氢电极侧，导致氢电极的水淹影响氢气的传输。为了解决接触电阻大、气液传输问题并提高充放电电流密度，本发明采用亲水溴电极、疏水氢电极、催化活性耐腐溴电极扩散层和疏水氢电极扩散层，从而降低接触电阻、提高气液传输、抑制氢电极水淹和提高充放电电流密度。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足而提供一种结构简单、充放电电流密度大、储能效率高的氢溴储能电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氢溴储能电池结构，由依次叠合的溴电极扩散层、溴电极、电解质膜、氢电极和氢电极扩散层组成；

溴电极扩散层为具有催化活性的耐腐蚀扩散层，所述溴电极扩散层为带有催化剂的多孔材料，其为电镀铂、钯、铱、钌或涂覆二氧化钌、二氧化铱催化剂中一种或二种以上的多孔钛、钛网或钛毡，形成具有催化活性的耐腐蚀扩散层；

所述溴电极为亲水电极，氢电极为疏水电极；

亲水电极包括Nafion电解质和贵金属纳米催化剂；所述贵金属纳米催化剂为铂、铱、钌、钯、金、铑、锇中的一种或二种以上的混合物，或铂、铱、钌、钯、金、铑、锇中二种以上的合金，或金属铂、铱、钌、钯、金、铑或锇氧化物的纳米粉末；

疏水电极包括Nafion电解质、疏水有机物和贵金属纳米催化剂；所述贵金属纳米催化剂为铂、铱、钌、钯、金、铑、锇中的一种或二种以上的混合物，或铂、铱、钌、钯、金、铑、锇中二种以上的合金，或金属铂、铱、钌、钯、金、铑或锇氧化物的纳米粉末；所述疏水有机物为PTFE、PVDF或PVDF-HFP。

氢电极扩散层为疏水扩散层；所述氢电极扩散层为经过疏水化处理的多孔碳材料。

所述电解质膜为质子交换膜或纳米微孔膜。

氢电极扩散层中的多孔碳材料为石墨毡、碳毡或碳纸，疏水化处理过程为：将碳纸浸渍在1-5wt.％的PTFE乳液中1-5min，取出烘干称重，反复进行数次至PTFE含量为15-35wt.％。然后放入马弗炉中250℃焙烧30min，340℃焙烧30min，得到疏水扩散层。

所述疏水电极制备在电解质膜的一侧或制备在疏水扩散层上。

组装单电池时，将上述电池结构置于两块端板间；

组成电池组时，将二个以上的上述电池结构置于两块端板间，相邻电池结构间通过双极板间隔，采用的双极板为石墨材料或表面有铂、铱、二氧化铱等涂层的钛、铌等耐腐蚀金属材料。

由单电池或电池组、电解液、储液罐、循环泵、氢气罐和输液(气)管路组成电池系统；所述电解液为氢溴酸和溴的混合溶液。