[发明专利]阴离子交换膜在铁-铬系液相流体电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及阴离子交换膜在铁-铬系液相流体电池中的应用。 

背景技术

液相流体储能电池是一种能量转换装置，充电时可以将电能储存在电解质溶液中，放电时可以将以前储存的能量重新转化回电能释放出来。顾名思义，其电解质溶液呈液体状态，可以用输送泵将电解质溶液根据需要传送到电池中进行能量转化或者传送到储罐中保存。电解质溶液储罐、液体循环泵、以及外部电源和负载链接组件均为电源系统中的重要设备。而电池为整个储能电源系统的核心设备。该种电池的特征决定了其拥有广阔的应用前景，不仅可以是将来智能电网中的关键设备与风能、太阳能联合使用，也是可以服务于传统电网的有效储能设备。 

通常液流储能电池是由多个单电池叠加起来组成的电池堆。电池堆可以再通过电和(或者)流体上的串并联构成更大规模的电池堆，其大小取决于具体的应用设计。其中一个单电池的结构是由双极板、正电极、电解质隔膜(或者离子交换膜)、负电极、和双极板构成的。其中电池系统的核心部分，则是由正电极、负电极和它们中间的电解质隔膜构成。铁-铬系液流电池即为该类液流储能电池的一种。其工作的原理为在开始时将含有Fe²⁺的溶液(如FeCl₂)由泵自其储罐中输入到电池正极上，将含有Cr³⁺的溶液(如CrCl₃)自其储罐中输入到电池负极上。在正负电极之间的电解质隔膜可以是质密膜也可以是多孔膜，其起到传导电荷载体如质子和其它正负离子等的作用，电池工作时内部电流全部通过这一隔离膜。利用外部电源在两个电极上施加高于电池平衡电压(1.18V)的电压，电极上就开始有电化学反应，充电开始。正极上Fe²⁺被转化成Fe³⁺；同时负极上Cr³⁺被转化成Cr²⁺。转换后的高能量的电解质溶液被循环回到各自的储罐中储存。充电过程就是通过电极上的电化学反应实现化学物质的转化，将电能储存于电解质溶液中的过程；反之，在外部负载需要能量时，经由同样的流体输送方法将储罐中的电解质溶液输入到电池中，外部有一定的负载联接，电池即开始放电。放电过程电极上的电化学反应逆向进行，将能量释放出来传送到外部负载。在设计合理材料稳定的条件下，系统完全可以实现比传统的固态电池更多次的周而复始地充放电的循环操作。 

由上可见，电解质膜材料对电池的性能起着至关重要的作用。早期以美国航空航天局(NASA)为主导的铁-铬系液流电池的研究中，采用质子交换膜技术。但是，质子交换膜虽然电导率较大，也有选择性不好的缺陷，而且成本高昂。再 者其电导率也依赖于电解质溶液中酸的浓度大小。酸浓度高，电导率才高，腐蚀性强。酸浓度的高低也对电解质溶液中有效储能物质的浓度有很大影响。虽然尝试过阴离子交换膜，但是由于那时NASA所研制的膜的性能一直达不到电池操作的要求，从而放弃了阴离子交换膜在该类电池中的应用。目前正在研发的铁-铬系液流电池产品为了降低成本不再使用质密的质子交换膜，而是用廉价的多孔膜代替，无任何离子选择性。虽然效率仍然可以达到70％以上，但是因为电池内部通过多孔膜的两极电解质溶液混合现象严重，造成了一定的能量损失。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足之处，本发明提供一种新型廉价的阴离子交换膜材料在铁-铬系液相流体电池中的应用。 

本发明的目的是这样实现的：阴离子交换膜在铁-铬系液相流体电池中的应用，优选阴离子交换膜作为正负电极之间的电解质隔膜构成电池。本发明所使用的阴离子交换膜材料为季铵化聚醚醚酮材料(QAPEEK)阴离子交换膜、季铵化聚醚砜酮材料(QAPPESK)阴离子交换膜或带有季膦盐功能基团的阴离子交换膜等。 

所说的阴离子交换膜，对于氯离子具有选择透过性，对铁离子的透过性小于150μg Fe³⁺/hr·cm²·M；同时其导电率对于氯离子为在常温常压下不小于0.006S·cm^-1，或者电阻率低于2.5Ω·cm²。 

所说的阴离子交换膜，膜厚度最好在50～300μm之间。 

所说的液相流体电池可以是单电池，或是由多个电池组成的电池堆。