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多硫化钠 溴储能电池研究进展 学生 翟云峰专业 化学工程导师 张华民研究员 Seminar 2005 5 18 主要内容储能技术的用途和分类液流电池储能的优缺点PS Br储能电池的组件及工作原理PS Br储能电池的研究现状PS Br储能电池的商业化进展总结及展望 多硫化钠 溴储能电池研究进展 储能技术的用途和分类 储能技术的用途和分类 液流电池储能的优缺点 优点 输出功率 大小 储能容量 储量和浓度 设计灵活 活性物质 液体 无固相变化 形貌改变 理论寿命长 部件多为廉价的碳材料 工程塑料 寿命长 材料来源丰富 加工技术成熟 易于回收 可超深度放电 100 而不对电池造成伤害 自放电低 关闭时 储罐中的电解液无自放电 能量效率高 可达75 80 操作成本低 性价比高 启动快 充放电切换 0 02秒 选址自由度大 占地少 系统封闭运行无污染 缺点 氧化还原液流电池功率密度较低 电解液管理困难 液流电池 正负极活性物质为液态流体氧化还原电对 铁铬 全钒及多硫化钠 溴电池 液流电池系统的工作流程 PS Br储能电池的工作原理 PS Br储能电池的工作原理 正极 溴化钠 负极 多硫化钠正极 Br2 2Na 2e 2NaBr负极 x 1 Na2Sx 2e 2Na xNa2Sx 1电池总反应为 x 1 Na2Sx Br2xNa2Sx 1 2NaBr单电池开路电压 1 54 1 61V PS Br储能电池的组件 为达到高效储能的目的 必需依靠一些关键组件 PS Br储能电池研究现状关键部件 PS Br储能电池研究现状电解液管理 离子交换膜的选择性 加上密封 组件意外失效等 导致两侧电解液中反应物不平衡 PH值变化 水不平衡 硫酸盐累积 硫沉积等 见图 电解液再平衡存在问题阳极的HS Sx2 透过膜与溴反应 导致放电电压下降加快 充电过程缩短 析氢 HS 4Br2 4H2O 8Br SO42 9H 1 Sx 12 3x 4 Br2 4x 4 H2O 6x 8 Br x 1 SO42 8x 8 H 2 解决方案Zito 缓冲室 辅助电化学电池氧化缓冲室中的离子 Morrissey 抽出部分电解液 氧化多硫离子或溴离子 返回主系统 其它 适量溴化钠加入阳极 平衡溴离子从阴极的迁移 阴 阳极电解液PH控制存在问题溴与水反应以及 1 2 形成的H 会透过膜到达阳极侧 PH下降 形成H2S 解决方案Zito 将电解水得到的OH 补偿到阳极电解液 Zito 正电极加入SiO2以限制溴的酸化 减少H 形成 Morrisey 抽出部分溴电解液强制放电至水电解 产生足够的OH 后电解液返回主系统 PS Br储能电池研究现状电解液管理 硫酸盐脱除存在问题 1 2 生成的SO42 导致硫酸盐析出 设备生垢 管路堵塞 污染膜和电极 解决方案Morrissey 冷却电解液 过滤 定期补充多硫离子 水再平衡存在问题Na 水合离子的迁移以及库仑损失 阳极水增多 水分布不平衡 解决方案Morrissey 反渗透装置将水从阳极电解液渗透到阴极电解液 硫沉积与电荷状态存在问题硫在电极上析出 导电性降低 活性位减少 解决方案Morrissey 振荡的电场施加于溶液 信号振幅突变 充放电 Morrissey 阳极多硫离子中硫原子数 多硫离子负电荷数1 8 2 5提高性能 渗透量降低 PS Br储能电池研究现状电解液管理 1984年 美国人Remick发明 英国Innogy公司注册商标RegenesysTM 开发出三个系列的电堆 由电极 双极板 阳离子膜 支撑绝缘框架叠加而成 如下图 RegenesysTM系列电堆的组装模式 PS Br储能电池的商业化进展 5kW 20kW 100kWRegenesysTM电堆和电堆系列参数1996 Innogy在Aberthaw电站对1MW储能单元进行测试 1999 正式公布这项电力存储技术 PS Br储能电池的商业化进展 2000 8 Innogy在英国建造第一座商业规模的演示电厂 作为680MW燃气轮机发电厂的电能存储系统 容量达120MWh 最大功率15MW 可供10000户家庭一天的用电 120MWh 15MW储能电厂参数 PS Br储能电池的商业化进展 2001年 Innogy在哥伦比亚空军基地建造第二座PS Br电池储能电厂 规模120MWh 12MW 可供24小时的电能 RegenesysTM在美国的商业演示电厂 PS Br储能电池的商业化进展 PS Br储能电池虽然进入商业化阶段 但还有很多关键技术需要改进 主要是 性能稳定的高活性负极催化剂 使电池的比功率达50W kg以上 提高阳离子交换膜选择性 减少阴离子渗透以降低操作成本 凭借大规模生产使成本降至50 kWh以下 从长远看 化石能源终将枯竭 可再生清洁能源将占很大比例 这些都需要储能系统的强有力支持 开发先进高效的储能技术在当前显得尤为重要与迫切 PS Br储能电池的应用前景非常广阔 总结及展望 参考文献 1 葛善海等 多硫化钠 溴新型再生燃料电池的研究 J 电源技术 2002 26 5 355 358 2 葛善海等 多硫化钠 溴储能电池高效电极的研究 J 电源技术 2003 27 5 34 38 3 GESHetal Studyofahighpowerdensitysodiumpolysulfide bromineenergystoragecell J JApplElectrochem 2004 34 2 181 185 4 RemickRJ AngPGP Electricallyrechargeableanionicallyactivereduction oxidationelectricalstorage supplysystem P US 4485154 1984 5 LessnerPM MclarnonFR WinnickJ etal Aqueouspolysulfideflow throughelectrodes effectsofelectrocatalystandelectrolytecompositiononperformance J JApplElectrochem 1992 22 10 927 934 6 CooleyGE MaleSE MitchellPJ etal Methodofcarringoutelectrochemicalreactions P UK 2346006 2000 7 ClarkDG TurpinMC IanW etal Vitrifiedcarboncompositions P WO 0015576 2000 8 ZitoR Zinc brominebatterywithlongtermstability P UK 2132004 1984 9 ZitoR Electrochemicalapparatusforenergystorageand orpowerdeliverycomprisingmulti compartmentcells P WO 9409526 1994 10 ZitoR Electrochemicalenergystorageand orpowerdeliverycellwithPHcontrol P WO 9409522 1994 11 MorrisseyPJ Processforthepreparationofionexchangemembranes P WO 0179336 2001 12 ZitoR Processforenergystorageand orpowerdeliverywithmeansforrestoringelectrolytebalance P US 5612148 1997 13 MorrisseyPJ MitchellPJ MaleSE Electrolyterebalancingsystem P WO 0103221 2001 14 MorrisseyPJ WardNJ RegenerativefuelcellwithPHcontrol P UK 2374722 2002 15 MorrisseyPJ MitchellPJ MaleSE