Равновесные и разрядные характеристики единичной ячейки водородно-ванадиевой батареи с электролитом различной кислотности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе исследована единичная ячейка перезаряжаемого химического источника тока (ХИТ) – водородно-ванадиевой батареи ((Pt–C)H2 Nafion VO2+(С)), при варьировании содержания серной кислоты в ванадиевом электролите (католите) в диапазоне от 3 до 6 М общего содержания сернокислотных остатков и суммарной концентрации соединений ванадия 1 М. Для этого диапазона составов получены зависимости напряжения ячейки (НРЦ) и потенциалов ее полуэлементов (ПРЦ) в состоянии разомкнутой цепи от соотношения ванадил: ванадат в составе электролита, а также измерены вольт-амперные характеристики при пропускании через ячейку токов различного направления. Разделение вкладов потенциалов обоих полуэлементов и их поляризации в напряжение ячейки реализовано при помощи внешнего электрода сравнения, подведенного к ванадиевому проточному электроду с использованием пленочного капилляра Луггина. Измерены удельные электропроводности ванадиевого электролита различного состава и зависимость этой величины от соотношения ванадил/ванадат в нем на различных этапах заряд-разрядного цикла. Обнаружено, что с увеличением кислотности католита функционирующая на нем ячейка демонстрирует снижение максимальной удельной мощности разряда с 0.68 до 0.45 Вт/см2, причиной которого является концентрационная поляризация как положительного, так и отрицательного полуэлементов в области высоких токов, с гораздо большим относительным вкладом последней. В области малых токов (±0.25 A/cм2) вольт-амперные характеристики обоих полуэлементов линейны, а их наклоны (поляризационные сопротивления) возрастают с ростом кислотности электролита для водородного полуэлемента и снижаются для ванадиевого, вследствие чего их сумма (полное сопротивление ячейки) в диапазоне исследуемых кислотностей демонстрирует прирост от 0.34 до 0.39 Ом см2.

Об авторах

О. И. Истакова

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

Email: oistakova@gmail.com
Черноголовка, Россия; Москва, Россия

Д. В. Конев

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

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

Д. О. Толстель

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Москва, Россия

М. А. Воротынцев

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

Москва, Россия

Список литературы

  1. 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, Article number 1000140.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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, Article number 143216.
  5. Bard, A.J., Standard Potentials in Aqueous Solution, London: Routledge, 2017. 848 p.
  6. Antipov, A., Pichugov, R., Abunaeva, L., Tong, S., Petrov, M., Pustovalova, A., and Glazkov, A., Halogen hybrid flow batteries advances for stationary chemical power sources technologies, Energies, 2022, vol. 15, no. 19, Article number 7397.
  7. Xie, F., Zhang, X., and Pan, Z., Electrochemical systems for renewable energy conversion and storage: Focus on flow batteries and regenerative fuel cells, Curr. Opin. Electrochem., 2024, p. Article number 101596.
  8. Zhang, Z., Mao, J., and Liu, Z., Advancements and insights in thermal and water management of proton exchange membrane fuel cells: Challenges and prospects, Int. Commun. Heat Mass Transf., 2024, vol. 153, Article number 107376.
  9. Rubio-Garcia, J., Cui, J., Parra-Puerto, A., and Kucernak, A., Hydrogen/vanadium hybrid redox flow battery with enhanced electrolyte concentration, Energy Storage Mater., 2020, vol. 31, p. 1.
  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. Meet. Abstr., 2020, no. 4, p. 800.
  11. Chakrabarti, B.K., Feng, J., Kalamaras, E., Rubio-Garcia, J., George, C., Luo, H., 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. Mater. Interfaces, 2020, vol. 12, no. 48, p. 53869.
  12. Chakrabarti, B., Yufit, V., Kavei, A., Xia, Y., Stevenson, G., Kalamaras, E., 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Feng, W., Zeng, Y., and Zhou, X., A three-dimensional, multi-physics model of a hydrogen vanadium rebalance cell, J. Energy Storage, 2024, vol. 92, Article number 111964.
  17. 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.
  18. Istakova, O.I., Konev, D.V., Tolstel, D.O., Ruban, E.A., Krasikova, M.S., and Vorotyntsev, M.A., A high discharge power density single cell of hydrogen–vanadium flow battery, Russ. J. Electrochem., 2024, vol. 60, no. 9, p. 716.
  19. Петухова, Э.А., Ершова, В.С., Терентьев, А.В., Рубан, Е.А., Пичугов, Р.Д., Конев, Д.В., Усенко, А. А. Кулонометрический метод анализа для определения концентрации и степени окисления ванадия в электролите ванадиевой проточной батареи с использованием водородно-ванадиевой ячейки. Конденсированные среды и межфазные границы. 2025. Т. 27. № 1. С. 128. [Petukhova, E.A., Ershova, V.S., Terent’ev, A.V., Ruban, E.A., Pichugov, R.D., Konev, D.V., and Usenko, A.A., Coulometric method for analyzing vanadium concentration and oxidation state in vanadium redox battery electrolyte using a hydrogen-vanadium cell, Condensed Matter and Interphases, 2025, vol. 27, no. 1, p 128.]
  20. Darling, H.E., Conductivity of sulfuric acid solutions, J. Chem. Eng. Data, 1964, vol. 9, no. 3, p. 421.
  21. Glazkov, A., Pichugov, R., Loktionov, P., Konev, D., Tolstel, D., Petrov, M., and Vorotyntsev, M.A., Current distribution in the discharge unit of a 10-cell vanadium redox flow battery: Comparison of the computational model with experiment, Membranes, 2022, vol. 12, no. 11, Article number 1167.
  22. Zhao, X., Kim, Y.B., and Jung, S., Shunt current analysis of vanadium redox flow battery system with multi-stack connections, J. Energy Storage, 2023, vol. 73, Article number 109233.
  23. Delgado, N.M., Monteiro, R., Cruz, J., Bentien, A., and Mendes, A., Shunt currents in vanadium redox flow batteries – a parametric and optimization study, Electrochim. Acta, 2022, vol. 403, Article number 139667.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025