氢溴储能电池结构的优化和运行条件对电池性能的影响

摘要

研究了氢溴电池的电池结构、正极氢溴酸和溴电解质浓度、负极的氢气压力、质子交换膜厚度对氢溴电池的性能和电池效率的影响.对氢溴电池结构进行改进,单电池实现了200 mA· cm-2电流密度恒流充放电,电池库伦效率100％.溴电极电化学反应受浓差极化控制,提高氢溴酸浓度,电池充电性能提高,同时,溴在氢溴酸的溶解度增大,电池放电性能也提高,氢溴酸浓度由0.5 mol· L-1提高至1 mol· L-1,电流密度200 mA· cm-2,电池的能量效率和电压效率提高27.9％.氢溴电池充电过程,降低电池负极氢出压力,有利于提高充电性能,但膜透酸严重,放电过程中最佳的氢出压力是维持氢在碳纸憎水催化层的单层吸附,充放电过程氢出压力均为40.0 kPa,电池的能量效率80.2％.膜厚度与膜电阻极化和膜透酸密切相关,充电过程,膜由50.0 μm降至15.0 μm,膜透酸严重,负极电化学活性比表面积下降,电池充电性能降低.膜厚度对放电性能的影响还与电流密度有关,电流密度较低时,膜透酸造成负极电化学比表面积下降居主导地位,50.0 μm Nation膜放电性能更高;电流密度超过200 mA· cm-2时,膜电阻极化居主导电位,15.0 μm Nation膜性能更高.采用20.0 μm质子交换膜,在200 mA· cm-2电流密度循环充放电五次,电池的能量效率和电压效率达到85.3％,库伦效率100％.