一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統及方法，該系統包括：直流電源、電壓表、電流表、陽極、被測試碳氈、3.5價釩電解液和盛裝所述3.5價釩電解液的容器，陽極的面積是被測試碳氈的面積的100倍以上，直流電源的正極連接陽極組成正極回路，直流電源的負極連接被測試碳氈組成負極回路，正極回路和負極回路分別接入一個電流表，陽極與被測試碳氈之間接入電壓表，陽極和被測試碳氈浸入3.5價釩電解液中。該方法在檢測時，逐步升高直流電源的輸出電壓，至保持正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數一致的最大值，即再增大電壓，正極回路和負極回路的電流表讀數開始出現不一致，此時電流表的電流讀數即為極限電流，該方法簡單快捷地通過極限電流直接反映被測試碳氈的電化學反應性能。
【專利說明】—種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及全釩液流電池【技術領域】，尤其涉及一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統及方法。
【背景技術】
[0002]全鑰;液流電池,全稱為全鑰;氧化還原液流電池(Vanadium Redox Battery,縮寫為VRB)，簡稱為釩電池，是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。它是一種非常具有發展前景的綠色環保儲能電池，它在制造、使用和廢棄過程中均不產生有害物質。具有特殊的電池結構，其活性物質貯存在電堆外部的儲液罐中。釩電池與傳統的固相蓄電池相比，具有濃差極化小、電池容量大且容易調整、壽命長、能耐受大電流充放、活性溶液可再生循環使用、不會產生污染環境的廢棄物等優勢，生產制造成本低，僅為鉛蓄電池的20%?30%。
[0003]釩電池的電極為多孔惰性電極，常用材料為碳氈。碳氈不僅具有優良的導電性，而且具有很好的電化學反應活性，非常大的比表面，使釩電池的電極有效反應面積大幅增加。
[0004]碳氈有效活性反應面積直接影響電池的性能,反應活性面積小,釩電池電壓效率和能量效率低且電流密度小。目前常用的有關碳氈性能的檢測方法主要是使用專用檢測儀器檢測碳氈體電阻和直接安裝在釩電池里利用電池性能測試系統進行檢測。
[0005]目前常用的碳氈性能的檢測方法中，專用檢測儀器檢測碳氈體電阻無法反映碳氈的電化學反應性能，只是得到了碳氈的導電性能。而直接安裝在釩電池里利用電池性能測試系統進行檢測，只能部分地反映出碳氈的反應性能，但摻雜了電解液流場分布、離子膜、集流板等諸多方面影響因素，不能單純的反應出碳氈的電化學反應性能；而且檢測方法不夠簡單快捷。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的缺陷，本發明提供一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統及方法，能夠不引入其它影響因素，簡單快捷地直接測得單位體積碳氈的電化學反應性能所對應的極限電流，從而單純的反映出碳氈的電化學反應性能。
[0007]本發明一方面提供一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，所述系統包括:直流電源、電壓表、電流表、陽極、被測試碳氈、3.5價釩電解液和盛裝所述3.5價釩電解液的容器，所述陽極的面積是所述被測試碳氈的面積的100倍以上，所述直流電源的正極連接所述陽極組成正極回路，所述直流電源的負極連接所述被測試碳氈組成負極回路，所述正極回路和負極回路分別接入一個所述電流表，所述陽極與被測試碳氈之間接入所述電壓表，所述陽極和被測試碳氈浸入所述3.5價釩電解液中；檢測時，逐步升高直流電源(I)的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表(3)的電流讀數開始不相等時，此時所述電流表(3)的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈(5)的電化學反應性能。
[0008]進一步，所述陽極是陽極碳氈、鉬金箔、鈦箔或碳紙中的任意一種。[0009]進一步，所述容器是圓筒形容器，所述陽極緊貼所述圓筒形容器的內壁，并完全浸沒于所述3.5價釩電解液中。
[0010]更進一步，所述圓筒形容器是玻璃燒杯，或聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯材料的圓筒形容器中的任意一種。
[0011]進一步，所述直流電源是輸出電壓為O?5伏的高精度連續可調的直流電源。
[0012]本發明另一方面提供一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，采用上述方案所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統；檢測時，逐步升高直流電源的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，所述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時所述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時所述電流表的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0013]進一步，檢測前，所述被測試碳氈在所述3.5價釩電解液中浸泡至少30min后，再與所述直流電源的負極連接。
[0014]進一步，所述方法具體包括以下步驟:
[0015](a)裁取長30?60cm、寬5?25cm的所述陽極碳租,將所述陽極碳租卷為圓筒狀并置于所述玻璃燒杯中，使所述陽極碳氈緊貼所述玻璃燒杯的內壁，用導線將所述陽極碳氈與所述直流電源的正極連接；
[0016](b)在保證所述陽極碳氈的面積是所述被測試碳氈的面積的100倍以上的基礎上，裁取長I?4cm、寬I?3cm的所述被測試碳氈，放入所述3.5價釩電解液中浸泡至少30min，使所述3.5價釩電解液充分浸潤所述被測試碳氈；
[0017](c)將所述3.5價釩電解液倒入所述玻璃燒杯中，使所述陽極碳氈完全浸沒于所述3.5價釩電解液中，將浸泡過的所述被測試碳氈與所述直流電源的負極連接并浸沒于所述3.5價釩電解液中；
[0018](d)在所述正極回路和負極回路中分別接入一個所述電流表，在所述陽極碳氈與被測試碳氈之間接入所述電壓表；
[0019](e)逐步升高所述直流電源的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，所述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時所述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時所述電流表的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0020]更進一步,所述陽極碳租長40?50cm、寬10?20cm,所述被測試碳租長2?3cm、寬2?3cm。
[0021]更進一步,所述陽極碳租長46cm、寬15cm,所述被測試碳租長2cm、寬2cm,所述玻璃燒杯的容積為2L。
[0022]本發明在極限電流條件下，陽極(陽極碳氈)和陰極(被測試碳氈)分別發生如下電化學反應:陽極活性表面:V4+ —V5++e，V5+從陽極活性表面擴散至本體電解液(3.5價釩電解液)與V3+發生如下反應:V5+ + V3+ — 2V4+ ;陰極活性表面:V3++e — V2+，V2+從陰極活性表面擴散至本體電解液(3.5價釩電解液)與V4+發生如下反應:V2++V4+ — 2V3+。
[0023]與現有技術相比，本發明的有益效果是:由于陽極的面積遠遠大于(100倍以上)作為陰極的被測試碳氈的面積，故陽極發生的電化學反應只受電化學反應控制而不受傳質影響。在達到極限電壓條件下，再增大電壓開始析氫，說明作為陰極的被測試碳氈的活性表面已經沒有V3+離子存在，該條件下陰極反應受控于V3+離子擴散至陰極被測試碳氈的活性表面的速度，活性表面的面積越大，形成的極限電流越大，此時的極限電流與被測試碳氈的電化學反應性能成正相關性。所以，極限電流的大小就直接反映被測試碳氈的電化學反應性能，本發明能夠簡單快捷地檢測碳氈的電化學反應性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統的結構示意圖。
[0025]圖中:1-直流電源，2-電壓表，3-電流表，4-陽極，5-被測試碳氈，6-3.5價釩電解液。
【具體實施方式】
[0026]為更好地說明本發明，便于理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下:
[0027]實施例1
[0028](a)裁取長46cm、寬15cm的陽極碳氈，將該陽極碳氈卷為圓筒狀并置于2L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈緊貼玻璃燒杯的內壁，用導線將上述陽極碳氈與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0029](b)裁取長2cm、寬2cm的被測試碳租,放入3.5價鑰;電解液中浸泡30min,使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0030](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述2L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0031](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述陽極碳氈與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0032](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0033]實施例2
[0034](a)裁取長40cm、寬20cm的陽極碳氈，將該陽極碳氈卷為圓筒狀并置于2L的聚氯乙烯材料的圓筒形容器中，使上述陽極碳氈緊貼圓筒形容器的內壁，用導線將上述陽極碳氈與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0035](b)裁取長4cm、寬2cm的被測試碳氈，放入3.5價釩電解液中浸泡45min，使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0036](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述2L的圓筒形容器中，使上述陽極碳氈完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0037](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述陽極碳氈與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0038](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0039]實施例3
[0040](a)裁取長50cm、寬IOcm的碳紙,將該碳紙卷為圓筒狀并置于2L的聚乙烯材料的圓筒形容器中，使上述碳紙緊貼圓筒形容器的內壁，用導線將上述碳紙與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0041](b)裁取長3cm、寬Icm的被測試碳氈，放入3.5價釩電解液中浸泡60min，使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0042](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述2L的圓筒形容器中，使上述碳紙完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0043](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述碳紙與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0044](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0045]實施例4
[0046]Ca)裁取長60cm、寬5cm的鈦箔,將該鈦箔卷為圓筒狀并置于5L的聚丙烯材料的圓筒形容器中，使上述鈦箔緊貼圓筒形容器的內壁，用導線將上述鈦箔與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0047](b)裁取長3cm、寬Icm的被測試碳氈，放入3.5價釩電解液中浸泡90min，使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0048](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述5L的圓筒形容器中，使上述鈦箔完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0049](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述鈦箔與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0050](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0051]實施例5
[0052](a)裁取長30cm、寬25cm的陽極碳租,將該陽極碳租卷為圓筒狀并置于5L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈緊貼玻璃燒杯的內壁，用導線將上述陽極碳氈與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；[0053](b)裁取長3cm、寬2cm的被測試碳租,放入3.5價鑰;電解液中浸泡60min,使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0054](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述5L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0055](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述陽極碳氈與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0056](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0057]實施例6
[0058](a)裁取長60cm、寬25cm的陽極碳租,將該陽極碳租卷為圓筒狀并置于5L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈緊貼玻璃燒杯的內壁，用導線將上述陽極碳氈與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0059](b)裁取長4cm、寬3cm的被測試碳氈，放入3.5價釩電解液中浸泡120min，使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0060](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述5L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0061](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述陽極碳氈與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0062](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0063]實施例7
[0064](a)裁取長30cm、寬5cm的鉬金箔，將該鉬金箔卷為圓筒狀并置于2L的玻璃燒杯中，使上述鉬金箔緊貼玻璃燒杯的內壁，用導線將上述鉬金箔與直流電源(輸出電壓為O?5伏，高精度連續可調)的正極連接；
[0065](b)裁取長1cm、寬Icm的被測試碳氈，放入3.5價釩電解液中浸泡35min，使3.5價釩電解液充分浸潤被測試碳氈；
[0066](c)將上述3.5價釩電解液倒入上述2L的玻璃燒杯中，使上述陽極碳氈完全浸沒于上述3.5價釩電解液中，將浸泡過的上述被測試碳氈與上述直流電源的負極連接并浸沒于上述3.5價釩電解液中；
[0067](d)在正極回路和負極回路中分別接入一個電流表，在上述鉬金箔與被測試碳氈之間接入電壓表；
[0068](e)逐步升高上述直流電源的輸出電壓，至上述正極回路和負極回路上的電流表的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，上述被測試碳氈開始發生析氫反應，此時上述電壓表的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時上述電流表的電流讀數即為極限電流，上述極限電流直接反映上述被測試碳氈的電化學反應性能。
[0069]需要說明的是:本發明所述3.5價釩電解液可以是包括但不限于三價釩和四價釩分別占50%的釩電解液，其3.5價是指釩電解液中釩的綜合價態。所述3.5價釩電解液的濃度不作限定，比如可以是包括但不限于1.7mol/L總釩+ 3mol/L硫酸根的3.5價全釩電解液。另外，本發明被測試碳氈作為陰極，如果作為陽極會發生電化學腐蝕，從而影響實驗數據。本發明所述陽極碳氈是指用于全釩液流電池的陽極的碳氈，目前市場上有很多商售碳氈都可以被本發明的系統和方法檢測，本發明對此不作限定。
[0070]實施例8
[0071 ] 我們通過如下單電池實驗，來說明本發明測得的極限電流與被測試碳氈在單電池中的電流效率、電壓效率和能量效率有一定的對應關系。
[0072]在1.7mol/L總釩+ 3mol/L硫酸根的3.5價全釩電解液進行單電池實驗，單電池有效面積99cm2，碳氈(1#、2#和3#)的厚度均為3.2mm，充放電截止條件為0.8-1.5V，恒流3A，測得單電池數據和極限電流的對比數據如表I所示。
[0073]表I
[0074]
【權利要求】
1.一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，其特征在于，所述系統包括:直流電源(I)、電壓表(2 )、電流表(3 )、陽極(4 )、被測試碳氈(5 )、3.5價釩電解液(6 )和盛裝所述3.5價釩電解液(6)的容器，所述陽極(4)的面積是所述被測試碳氈(5)的面積的100倍以上，所述直流電源(I)的正極連接所述陽極(4)組成正極回路，所述直流電源(I)的負極連接所述被測試碳氈(5)組成負極回路，所述正極回路和負極回路分別接入一個所述電流表(3)，所述陽極(4)與被測試碳氈(5)之間接入所述電壓表(2)，所述陽極(4)和被測試碳氈(5)浸入所述3.5價釩電解液(6)中；檢測時，逐步升高直流電源(I)的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表(3)的電流讀數開始不相等時，此時所述電流表(3)的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈(5)的電化學反應性能。
2.根據權利要求1所述 的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，其特征在于，所述陽極(4 )是陽極碳氈、鉬金箔、鈦箔或碳紙中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，其特征在于，所述容器是圓筒形容器，所述陽極(4)緊貼所述圓筒形容器的內壁，并完全浸沒于所述3.5價釩電解液(6)中。
4.根據權利要求3所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，其特征在于，所述圓筒形容器是玻璃燒杯，或聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯材料的圓筒形容器中的任意一種。
5.根據權利要求1所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統，其特征在于，所述直流電源(I)是輸出電壓為O-5伏的高精度連續可調的直流電源。
6.一種全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，其特征在于，采用權利要求1至5任一項所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測系統；檢測時，逐步升高直流電源(I)的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表(3)的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，所述被測試碳氈(5)開始發生析氫反應，此時所述電壓表(2)的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時所述電流表(3)的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈(5)的電化學反應性能。
7.根據權利要求6所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，其特征在于，檢測前，所述被測試碳氈(5)在所述3.5價釩電解液(6)中浸泡至少30min后，再與所述直流電源(O的負極連接。
8.根據權利要求7所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟: (a)裁取長30-60cm、寬5-25cm的所述陽極碳租,將所述陽極碳租卷為圓筒狀并置于所述玻璃燒杯中，使所述陽極碳氈緊貼所述玻璃燒杯的內壁，用導線將所述陽極碳氈與所述直流電源(I)的正極連接； (b)在保證所述陽極碳氈的面積是所述被測試碳氈(5)的面積的100倍以上的基礎上，裁取長I-4cm、寬I-3cm的所述被測試碳氈(5)，放入所述3.5價釩電解液(6)中浸泡至少30min,使所述3.5價鑰;電解液(6)充分浸潤所述被測試碳租(5)； (c)將所述3.5價釩電解液(6)倒入所述玻璃燒杯中，使所述陽極碳氈完全浸沒于所述.3.5價釩電解液(6)中，將浸泡過的所述被測試碳氈(5)與所述直流電源(I)的負極連接并浸沒于所述3.5價釩電解液(6)中； (d)在所述正極回路和負極回路中分別接入一個所述電流表(3)，在所述陽極碳氈與被測試碳氈(5)之間接入所述電壓表(2)； (e)逐步升高所述直流電源(I)的輸出電壓，至所述正極回路和負極回路上的所述電流表(3)的電流讀數開始不相等時，即達到析氫電位，所述被測試碳氈(5)開始發生析氫反應，此時所述電壓表(2)的電壓讀數即為極限電壓，即開始發生析氫反應時的臨界電壓，此時所述電流表(3)的電流讀數即為極限電流，所述極限電流直接反映所述被測試碳氈(5)的電化學反應性能。
9.根據權利要求8所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，其特征在于，所述陽極碳租長40-50cm、寬10-20cm,所述被測試碳租(5)長2-3cm、寬2-3cm。
10.根據權利要求9所述的全釩液流電池用碳氈性能的檢測方法，其特征在于，所述陽極碳租長46cm、寬15cm,所述被測試碳租(5)長2cm、寬 2cm,所述玻璃燒杯的容積為2L。
【文檔編號】G01N27/26GK103454323SQ201310397698
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】苗所貴, 劉宗煜, 田戈, 陳金梅 申請人:承德萬利通實業集團有限公司, 清華大學