TWI556501B - 直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,尤指涉及一種直接通以電壓至電池堆中進行氧化還原反應,讓電池堆中碳氈能夠均勻地與電解液接觸並進行電化學反應,特別係指使其碳氈表面生成含氧官能基(-COOH、-OH),進而達到改質目的之直接電化學氧化改質方法。
電化學液流電池(Electrochemical Flow Cell),亦稱為氧化還原液流電池(Redox Flow Battery),係一種電化學儲能裝置。其中,正、負極都使用釩鹽溶液者亦稱為全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Flow Battery),由於全釩氧化還原液流電池具有充放電性能優異、循環使用壽命長及成本低等特性,且其製造、使用與廢棄過程均不產生有害物質,而成為理想之綠色環保儲能裝置。
通常,一般進行電化學反應之方法,其流程如第4圖所示,係以三極式電極配置方法,通以電壓進行氧化還原反應,其步驟如下:
步驟s21:以未改質之碳氈作為負極,鈦板(或石墨板)作為正極,電解液為1M硫酸水溶液,通入一電壓或電流進行電化學氧化反應;
步驟s22:反應時間以數分鐘至1小時;
步驟s23:去離子水清洗後,在溫度120°C之下真空烘乾5小時;
步驟s24:作為電極材料進行組裝成電池堆;
步驟s25:藉由幫浦打入為1M至3M硫酸氧釩與1M至5M硫酸(或鹽酸或硝酸或磷酸)水溶液,經由電池堆之陰陽極入口進入並與碳氈均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由電池堆之陰陽極出口流出收集至電解液儲槽後,再循環至電池堆之陰陽極入口打入電池堆中直到電池堆中之空氣完全排出;以及
步驟s26:正負兩極接上外部電源供應系統,以定電流模式通入電流,進行液流電池之電池堆充放電反應,並重複進行。
然而,習用製程採用貴金屬鈦板,其電極材料成本高之外,上述步驟s21至步驟s23完成單電池(Single Cell)所需製程時間長(約6小時),若以10片單電池組裝成電池堆為例,則上述步驟即需重複循環10次,相當耗費時間之餘,由於該法僅用在單電池,而重複循環所得之每片單電池易受外在因素影響而有反應一致性不佳之問題,因此該製程既複雜且無法有效地將其商業化。此外,傳統一般電化學氧化法係無法使碳氈充分地與電解液完全接觸,因為浸泡在電解液中時,可能會產生電解水之副反應,而電解水會產生氫氣、氧氣等氣泡在電極表面,由於碳氈係多孔性材料,導致會有部分區域無法均勻地與電解液接觸以進行電化學反應,因而無法有效提升液流電池之效能。故,ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於,克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種直接通以電壓至電池堆中進行氧化還原反應,讓電池堆中碳氈能夠均勻地與電解液接觸並進行電化學反應,使其碳氈表面生成含氧官能基(-COOH、-OH),進而達到改質之直接電化學氧化改質方法。
本發明之次要目的係在於,提供一種具有製程操作簡易且快速、易調控實驗參數且替換實驗條件不需重新拆解、裝置可承受大範圍電壓與電流、不需經過高溫處理即可得到改質效果且成本低之直接電化學氧化改質方法。
本發明之另一目的係在於,提供一種可增加電池之效率值(庫倫效率、能量效率、及電壓效率)之直接電化學氧化改質方法。
本發明之再一目的係在於,提供一種可應用於複數單電池組合成電池堆之直接電化學氧化改質方法。
為達以上之目的,本發明係一種直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其至少包含下列步驟:(A)以未改質之碳氈作為電極材料進行組裝成電池堆;(B)藉由幫浦打入配製好之電解液,其經由該電池堆之陰陽極入口進入並與該碳氈均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆之陰陽極出口流出收集至電解液儲槽後,再循環至該電池堆之陰陽極入口打入該電池堆中直到該電池堆中之空氣完全排出;(C)正、負電極接上一外部電源供應系統,以定電壓模式通入電壓,進行電化學氧化還原反應;(D)通電時間完成後,藉由幫浦打入空氣經由該電池堆之陰陽極入口進入,流速控制在20至100mL/min之間,再經由該電池堆之陰陽極出口排出並將原本電池堆中之電解液完全排出至電解液儲槽;(E)更換電解液為1M至3M硫酸氧釩與1M至5M無機酸水溶液,經由該電池堆之陰陽極入口進入並與該碳氈均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆之陰陽極出口流出收集至電解液儲槽後,再循環至該電池堆之陰陽極入口打入該電池堆中直到該電池堆中之空氣完全排出;以及(F)正、負電極接上該外部電源供應系統,以定電流模式通入40mA/cm2
至80mA/cm2
之電流,進行液流電池之電池堆充放電反應,並重複進行充放電過程,直至充電結束。
於本發明上述實施例中,該步驟(A)電池堆之結構係包括:一隔離膜;二墊片,包夾住該隔離膜;二電極,包夾住該二墊片,該二電極分別為正、負電極,係以未改質之碳氈作為電極材料;二流量板,包夾住該二電極,且其中之一流量板係具有一陰極入口與一陽極入口,另一流量板係具有一陰極出口與一陽極出口;以及二端板,包夾住該二流量板。
於本發明上述實施例中,該步驟(B)之電解液係為0.1M至5M硫酸、0.1M至5M鹽酸、0.1M至5M硝酸、或0.1M至5M磷酸任其一。
於本發明上述實施例中,該步驟(C)係通入1.5 V/cell至2.5 V/cell之電壓。
於本發明上述實施例中,該步驟(C)係進行5分鐘至20分鐘之通電時間。
於本發明上述實施例中,該步驟(C)係介於20°C至30°C之操作溫度。
於本發明上述實施例中,該步驟(E)之無機酸係為硫酸、鹽酸、硝酸、或磷酸任其一。
於本發明上述實施例中,該直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法係適用於複數單電池組合成電池堆。
(本發明部分)
100‧‧‧液流電池
1‧‧‧電池堆
11‧‧‧隔離膜
12、13‧‧‧墊片
14、15‧‧‧正、負電極
16‧‧‧流量板
161‧‧‧陰極入口
162‧‧‧陽極入口
17‧‧‧流量板
171‧‧‧陰極出口
172‧‧‧陽極出口
18、19‧‧‧端板
2、3‧‧‧幫浦
4、5‧‧‧電解液儲槽
6‧‧‧外部電源供應系統
s11~s16‧‧‧步驟
(習用部分)
s21~s26‧‧‧步驟
第1圖,係本發明之流程示意圖。
第2圖,係本發明電池堆之結構示意圖。
第3圖,係本發明液流電池之一較佳實施例架構示意圖。
第4圖,係一般電化學氧化法之流程示意圖。
請參閱『第1圖~第3圖』所示,係分別為本發明之流程示意圖、本發明電池堆之結構示意圖、及本發明液流電池之一較佳實施例架構示意圖。如圖所示:本發明係一種直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其至少包含下列步驟:
步驟s11:以未改質之碳氈作為電極14、15材料進行組裝成電池堆1,如第2圖所示,係包括一隔離膜11;包夾住該隔離膜11之二墊片12、13;包夾住該二墊片12、13之二電極14、15,分別為正、負電極14、15;包夾住該二電極14、15之二流量板16、17,其中之一流量板16係具有一陰極入口161與一陽極入口162,另一流量板17係具有一陰極出口171與一陽極出口172;以及包夾住該二流量板16、17之二端板18、19所構成;
步驟s12:藉由幫浦2、3打入配製好之電解液,其經由該電池堆1之陰、陽極入口161、162進入並與該碳氈(即正、負電極14、15)均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆1之陰、陽極出口171、172流出收集至電解液儲槽4、5後,再循環至該電池堆1之陰、陽極入口161、162打入該電池堆1中直到該電池堆1中之空氣完全排出,其中該電解液係為0.1M至5M硫酸、0.1M至5M鹽酸、0.1M至5M硝酸、或0.1M至5M磷酸任其一;
步驟s13:正、負電極14、15接上一外部電源供應系統6,以定電壓模式通入1.5 V/cell至2.5 V/cell之電壓,進行電化學氧化還原反應,通電時間為5分鐘至20分鐘,操作溫度為20°C至30°C;
步驟s14:通電時間完成後,藉由幫浦2、3打入空氣經由該電池堆1之陰、陽極入口161、162進入,流速控制在20至100mL/min之間,再經由該電池堆1之陰、陽極出口171、172排出並將原本電池堆1中之電解液完全排出至電解液儲槽4、5;
步驟s15:更換電解液為1M至3M硫酸氧釩與1M至5M無機酸水溶液,經由該電池堆1之陰、陽極入口161、162進入並與該碳氈(即正、負電極14、15)均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆1之陰、陽極出口171、172流出收集至電解液儲槽4、5後,再循環至該電池堆1之陰、陽極入口161、162打入該電池堆1中直到該電池堆1中之空氣完全排出,其中該無機酸係為硫酸、鹽酸、硝酸、或磷酸任其一;以及
步驟s16:正、負電極14、15接上該外部電源供應系統6,以定電流模式通入40mA/cm2
至80mA/cm2
之電流,進行液流電池100之電池堆1充放電反應,並重複進行充放電過程,直至充電結束。如是,藉由上述揭露之流程構成一全新之直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法。
當運用時,本發明係以GFD2.5之碳氈作為電極材料,並採用Nafion 117作為隔離膜,利用直接電化學氧化法進行改質,以定電壓模式通入2 V/cell之電壓,在25°C之操作溫度下,進行5、10、及20分鐘之電化學氧化還原反應以完成碳氈改質。然後,將前述以電化學氧化改質碳氈之單電池進行充放電測試,操作條件以工業級硫酸氧釩作為電解液,在流速為50mL/min,且溫度為25°C下,通入40mA/cm2
之電流密度。電化學氧化改質碳氈之單電池測試結果如表一所示,可見經由本發明利用直接電化學氧化改質方法,電池之效率值皆有明顯地增加,其中尤以電化學處理時間為5分鐘時所得之庫倫效率、能量效率、及電壓效率為最佳。
表一
因此,本發明利用直接電化學氧化改質方法,直接通以電壓至電池堆中進行氧化還原反應,讓電池堆中碳氈能夠均勻地與電解液接觸並進行電化學反應,使其碳氈表面生成含氧官能基(-COOH、-OH),進而達到改質之目的。藉此,本發明具有製程操作簡易且快速、易調控實驗參數且替換實驗條件不需重新拆解、裝置可承受大範圍電壓與電流、不需經過高溫處理即可得到改質效果且成本低之優勢。
綜上所述,本發明係一種直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,可有效改善習用之種種缺點,利用直接電化學氧化改質方法,直接通以電壓至電池堆中,讓電池堆中碳氈能夠均勻地與電解液接觸並進行電化學反應,使其表面生成含氧官能基,以達到改質之目的,並具有製程操作簡易且快速、易調控實驗參數且替換實驗條件不需重新拆解、裝置可承受大範圍電壓與電流、不需經過高溫處理即可得到改質效果且成本低之優勢,進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須,確已符合發明專利申請之要件,爰依法提出專利申請。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍;故,凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
s11~s16‧‧‧步驟
Claims (7)
- 一種直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其至少包含下列步驟:(A)以未改質之碳氈作為電極材料進行組裝成電池堆;(B)藉由幫浦打入配製好之電解液,其經由該電池堆之陰陽極入口進入並與該碳氈均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆之陰陽極出口流出收集至電解液儲槽後,再循環至該電池堆之陰陽極入口打入該電池堆中直到該電池堆中之空氣完全排出;(C)正、負電極接上一外部電源供應系統,以定電壓模式通入電壓,進行電化學氧化還原反應,通電時間為5分鐘至20分鐘;(D)通電時間完成後,藉由幫浦打入空氣經由該電池堆之陰陽極入口進入,流速控制在20至100mL/min之間,再經由該電池堆之陰陽極出口排出並將原本電池堆中之電解液完全排出至電解液儲槽;(E)更換電解液為1M至3M硫酸氧釩與1M至5M無機酸水溶液,經由該電池堆之陰陽極入口進入並與該碳氈均勻接觸,流速控制在20至100mL/min之間,經由該電池堆之陰陽極出口流出收集至電解液儲槽後,再循環至該電池堆之陰陽極入口打入該電池堆中直到該電池堆中之空氣完全排出;以及(F)正、負電極接上該外部電源供應系統,以定電流模式通入40mA/cm2至80mA/cm2之電流,進行液流電池之電池堆充放電反應 ,並重複進行充放電過程,直至充電結束。
- 依申請專利範圍第1項所述之直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其中,該步驟(A)電池堆之結構係包括:一隔離膜;二墊片,包夾住該隔離膜;二電極,包夾住該二墊片,該二電極分別為正、負電極,係以未改質之碳氈作為電極材料;二流量板,包夾住該二電極,且其中之一流量板係具有一陰極入口與一陽極入口,另一流量板係具有一陰極出口與一陽極出口;以及二端板,包夾住該二流量板。
- 依申請專利範圍第1項所述之直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其中,該步驟(B)之電解液係為0.1M至5M硫酸、0.1M至5M鹽酸、0.1M至5M硝酸、或0.1M至5M磷酸任其一。
- 依申請專利範圍第1項所述之直接電化學氧化提升液流電池碳氈效能之方法,其中,該步驟(C)係通入1.5V/cell至2.5V/cell之電壓。
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| CN101619465A (zh) * | 2008-07-02 | 2010-01-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种钒电池溶液的制备或容量调节的方法及其专用装置 |
| CN102468492A (zh) * | 2010-11-09 | 2012-05-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种提高钒电池电极材料活性的表面修饰处理方法 |
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| TW201616713A (zh) | 2016-05-01 |
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