Единичная ячейка водородно-ванадиевого проточного источника тока с высокой удельной мощностью разряда

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследован проточный химический источник тока, мембранно-электродный блок которого представляет собой гибрид газодиффузионного анода водородно-воздушного топливного элемента (ТЭ) и катода ванадиевой проточной редокс-батареи (ВПРБ), работающего за счет циркуляции сернокислого раствора солей ванадия в степени окисления +4 и +5 через пористый углеродный материал:

(Pt–C)H2|Nafion|VO2+(С). Концепция одородно-ванадиевой проточной батареи (ВВПБ) была предложена ранее (2013 г.) в качестве альтернативы ВПРБ для решения задач накопления/воспроизводства электроэнергии в накопителях большой емкости, однако ее практическая реализация до настоящего времени ограничена единичными ячейками с активной площадью не более нескольких десятков см2. Целью настоящей работы являлись выявление и минимизация факторов, ограничивающих удельную мощность разряда такого гибрида – по этому показателю ВВПБ уступают как водородно-воздушным ТЭ, так и ВПРБ, несмотря на сочетание их более обратимых полуэлементов. Объектом исследования выступала ячейка с мембранно-электродным блоком 2см × 2см, оснащенная капилляром Луггина со стороны ванадиевого электролита. С использованием шестиэлектродной схемы подключения ячейки выполнены измерения вольт-амперных характеристик, включая поляризации отдельных полуэлементов при варьировании скорости циркуляции ванадиевого электролита и материала катода (углеродные войлоки толщиной 4.6 и 2.5 мм, а также углеродная бумага). Установлено, что вклад водородного газодиффузионного электрода в полное сопротивление ячейки ВВПБ постоянному току вдвое превышает таковой для проточного ванадиевого катода. В работе получена рекордно высокая удельная мощность разряда: 0.75 Вт см–2, при этом в качестве материала катода использован коммерчески доступный материал – углеродный войлок Sigracell GFD 2.5 EA-TA без дополнительной модификации поверхности.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. И. Истакова

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Черноголовка

Д. В. Конев

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Черноголовка; Москва

Д. О. Толстель

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Москва

Е. А. Рубан

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Черноголовка; Москва

М. С. Красикова

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Черноголовка

М. А. Воротынцев

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: mivo2010@yandex.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Yufit, V., Hale, B., Matian, M., Mazur, P., and Brandon, N. P., Development of a regenerative hydrogen-vanadium fuel cell for energy storage applications, J. Electrochem. Soc., 2013, vol. 160, no. 6, p. A856.
  2. Moore, M., Counce, R., Watson, J., and Zawodzinski, T., A comparison of the capital costs of a vanadium redox-flow battery and a regenerative hydrogen-vanadium fuel cell, J. Adv. Chem. Eng., 2015, vol. 5, no. 4, p. 1000140.
  3. Dewage, H.H., Yufit, V., and Brandon, N.P., Study of loss mechanisms using half-cell measurements in a regenerative hydrogen vanadium fuel cell, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 163, no. 1, p. A5236.
  4. Dowd, R.P., Verma, A., Li, Y., Powers, D., Wycisk, R., Pintauro, p. N., and Van Nguyen, T., A hydrogen-vanadium reversible fuel cell crossover study, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 14, p. F1608.
  5. Dowd, R.P., Lakhanpal, V.S., and Van Nguyen, T., Performance evaluation of a hydrogen-vanadium reversible fuel cell, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 6, p. F564.
  6. Tenny, K.M., Lakhanpal, V.S., Dowd, R.P., Yarlagadda, V., and Van Nguyen, T., Impact of multi-walled carbon nanotube fabrication on carbon cloth electrodes for hydrogen-vanadium reversible fuel cells, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 12, p. A2534.
  7. Muñoz, C.P., Dewage, H.H., Yufit, V., and Brandon, N.P., A unit cell model of a regenerative hydrogen-vanadium fuel cell, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 14, p. F1717.
  8. Chakrabarti, B., Yufit, V., Kavei, A., Xia, Y., Stevenson, G., Kalamaras, E., Luo, H., Feng, J., Tariq, F., Taiwo, O., Titirici, M.-M., and Brandon, N., Charge/discharge and cycling performance of flexible carbon paper electrodes in a regenerative hydrogen/vanadium fuel cell, Int. J. Hydrogen energy, 2019, vol. 44, no. 57, p. 30093.
  9. Pino-Muñoz, C.A., Chakrabarti, B.K., Yufit, V., and Brandon, N.P., Characterization of a Regenerative hydrogen-vanadium fuel cell using an experimentally validated unit cell model, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, no. 15, p. A3511.
  10. Parra-Puerto, A., Rubio-Garcia, J., Cui, J., and Kucernak, A., High Energy Density Hydrogen/Vanadium Hybrid Redox Flow Battery Utilizing HCl As a Supporting Electrolyte, Electrochem. Soc. Meeting Abstracts prime 2020 – Electrochem. Soc., Inc., 2020, no. 4, p. 800-800.
  11. Chakrabarti, B.K., Feng, J., Kalamaras, E., Rubio-Garcia, J., George, C., Luo, H., Xia, Y., Yufit, V., Titirici, M.-M., Low, C.T.J., Kucernak, A., and Brandon, N.P., Hybrid redox flow cells with enhanced electrochemical performance via binderless and electrophoretically deposited nitrogen-doped graphene on carbon paper electrodes, ACS Appl. Mat. & Interfaces, 2020, vol. 12, no. 48, p. 53869.
  12. Chakrabarti, B.K., Kalamaras, E., Ouyang, M., Liu, X., Remy, G., Wilson, P.F., Williams, M.A., Rubio-Garcia, J., Yufit, V., Bree, G., Hajimolana, Y.S., Singh, A., Tariq, F., Low, C.T.J., Wu, B., George, C., and Brandon, N.P., Trichome-like carbon-metal fabrics made of carbon microfibers, carbon nanotubes, and Fe-based nanoparticles as electrodes for regenerative hydrogen/vanadium flow cells, ACS Appl. Nano Mater., 2021, vol. 4, no. 10. p. 10754.
  13. Hsu, N.Y., Devi, N., Lin, Y.I., Hu, Y.H., and Ku, H.H., Study on the effect of electrode configuration on the performance of a hydrogen/vanadium redox flow battery, Renewable Energy, 2022, vol. 190, p. 658.
  14. Dowd, R.P., Ying, A., and Van Nguyen, T., Preliminary study of a reversible hydrogen-vanadium flow battery, ECS Transactions, 2016, vol. 72, no. 10, p. 11.
  15. Weng, G.M., Li, C.Y.V., and Chan, K.Y., High-voltage pH differential vanadium-hydrogen flow battery, Mater. Today Energy, 2018, vol. 10, p. 126.
  16. Lee, C.Y., Chen, C.H., Chen, Y.C., and Jiang, X.F., A Flexible 7-in-1 Microsensor Embedded in a Hydrogen/Vanadium Redox Battery for Real-Time Microscopic Measurements, Membranes, 2022, vol. 13, no. 1, p. 49.
  17. Zhang, K., Zheng, X., Liu, S., Xie, Z., Liu, Z., Zhu, Z., Jiang, T., Wang, W., Wang, M., Ma, Y., Meng, Y., Peng, Q., and Chen, W., High-rate, two-electron-transfer vanadium-hydrogen gas battery, Electrochim. Acta, 2023, vol. 469, p. 143216.
  18. Feng, W., Zeng, Y., Deng, F., Yang, P., and Dai, S., A hydrogen-vanadium rebalance cell based on ABPBI membrane operating at low hydrogen concentration to restore the capacity of VRFB, J. Energy Storage, 2023, vol. 74, p. 109363.
  19. Ding, M., Liu, T., Zhang, Y., Liu, H., Pan, D., and Chen, L., Physicochemical and Electrochemical Characterization of Vanadium Electrolyte Prepared with Different Grades of V2O5 Raw Materials, Energies, 2021, vol. 14, no. 18, p. 5958.
  20. Li, X., Zhang, H., Mai, Z., Zhang, H., and Vankelecom, I., Ion exchange membranes for vanadium redox flow battery (VRB) applications, Energy & Environmental Sci., 2011, vol. 4, no. 4, p. 1147.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) Конструкция ячейки ВВПБ с капилляром Луггина в изометрической проекции и поперечное сечение ее МЭБ, см. расшифровку обозначений в тексте; (б) схема распределительных каналов подачи электролита в рамках-ограничителях электродных пространств 6, цветовая шкала показывает расчетное распределение линейной скорости течения электролита (слева) и давления (справа); (в) составляющие внутреннего сопротивления МЭБ ячейки прохождению постоянного тока RMEA ячейки и схема ее подключения к потенциостату при электрохимических измерениях.

Скачать (280KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Поляризационные характеристики отрицательного полуэлемента ячейки ВВПБ (а, в), полученные гальванодинамическим методом (50 мА/с) при скорости циркуляции сред H2 – 300 мл/мин, 3 М H2SO4 – 120 мл/мин (а), 3 M H2SO4 и ванадиевого электролита с эквивалентным содержанием ванадил- и ванадат-катионов – 120 мл/мин (в) для МЭБ различного состава: (а) Nafion 211, Pt–C 0.226 мг/см2 (1); Nafion 211, Pt–C 0.516 мг/см2 (2); Nafion 211, Pt–C 1.04 мг/см2 (3); Nafion 212, Pt–C 0.226 мг/см2 (4); (в) H2/H2SO4 (1), H2/V_SOC 0.5 (2). Циклические вольтамперограммы отрицательного полуэлемента ячейки ВВПБ (б, г) с МЭБ состава Pt–C (х, мг/см2: 0.226 (1); 0.516 (2); 1.04 (3))|Nafion 211|CF 4.6 EA-TA, полученные при заполнении пространства анода аргоном и циркуляции через катод 3 М H2SO4 – 120 мл/мин (б), 3 М H2SO4 (1) и ванадиевого электролита с эквивалентным содержанием ванадил- и ванадат-катионов (2) – 120 мл/мин (г). Скорость развертки потенциала – 20 мВ/с.

Скачать (295KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) Зависимость напряжения разомкнутой цепи и потенциалов полуэлементов (см. легенду) от степени заряжения для ячейки ВВПБ с МЭБ состава Pt–C (0.226 мг/см2)|Nafion 211|CF 2.5 EA-TA, полученная при скорости циркуляции водорода 300 мл/мин и ванадиевого электролита 65 мл/мин в ходе преобразования ванадил-ванадат (полые точки) и в обратном направлении (заполненные точки). (б) Потенциал водородного полуэлемента в увеличенном по оси потенциалов масштабе.

Скачать (129KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Вольт-амперные характеристики ячейки ВВПБ в режиме заряда/разряда (а-в) и поляризационные характеристики ее полуэлементов относительно Ag/AgCl-электрода сравнения при SOC = 0.5 для линейной скорости пропускания ванадиевого электролита 3 см/с через катод из различных углеродных материалов: СP 6 × 0.28 мм (а), СF 2.5 мм (б), CF 4.6 мм (в); зависимости удельной мощности заряда/разряда ячейки ВВПБ от скорости циркуляции электролита через катод из различных углеродных материалов в диапазоне 0.5 – 3 см/с: СP 6 × 0.28 мм (г), СF 2.5 мм (д), CF 4.6 мм (е). Объемные скорости, мл/мин: 1 – 51, 2 – 34, 3 – 17, 4 – 10 (г); 1 – 65, 2 – 43, 3 – 22, 4 – 11 (д); 1 – 120, 2 – 80, 3 – 40, 4 – 20 (е).

Скачать (408KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Годографы импеданса ячейки ВВПБ и ее полуэлементов относительно Ag/AgCl-электрода сравнения, полученные при напряжении разомкнутой цепи в диапазоне частот 50 кГц … 0.03 Гц (амплитуда 10 мВ) при SOC = 0.5 для линейной скорости пропускания ванадиевого электролита 3 см/с через катод из различных углеродных материалов (указано в легенде). Над рисунком приведена эквивалентная схема полуэлемента ячейки ВВПБ, используемая при определении составляющих его внутреннего сопротивления постоянному току.

Скачать (144KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости напряжения (а) ячейки ВВПБ с МЭБ состава Pt-C (0.226 мг/см2)|Nafion 211|СP 6 х 0.28 мм и потенциалов ее полуэлементов относительно Ag/AgCl-электрода сравнения (б) в ходе гальваностатического заряд/разрядного испытания при ±0.8 А (±200 мА/см2) для линейной скорости пропускания ванадиевого электролита 3 см/с (65 мл/мин), 6-й цикл. Сплошные линии – кривые, полученные при заряде, пунктирные – при разряде. Точки – результат измерения напряжения и потенциалов разомкнутой цепи полуячеек при различных SOC, (данные рис. 3).

Скачать (144KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024