Вольт-амперные и разрядные характеристики водородно-хлоратного генератора тока с сернокислым электролитом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследовано функционирование единичной ячейки проточного водородно-галогенатного генератора тока, преобразующей энергию реакции окисления газообразного водорода хлоратом натрия в сернокислом водном растворе в электроэнергию при помощи мембранно-электродного блока состава (–) H2, Pt–C // PEM // NaClO3, C (+). Применен комбинированный режим работы нагрузки, включающий этапы потенцио- и гальваностатического контроля, учитывающий специфику протекания полуреакции электровосстановления хлората – ее редокс-медиаторный автокаталитический механизм (EC-autocat). Для водных электролитов с различным содержанием серной кислоты установлены параметры системы, определяющие мощность и эффективность функционирования водородно-хлоратного генератора тока: фарадеевская и энергетическая эффективности, средняя мощность разряда и время выхода на стационарный режим. Установлено, что наиболее эффективно изучаемая водородно-хлоратная ячейка функционирует с использованием электролита с 5 М содержанием серной кислоты: ячейка с таким электролитом выходит на режим генерации тока плотностью 0.25 А/см2 за полторы минуты, позволяет преобразовать в электроэнергию 55% энергозапаса при средней удельной мощности разряда 0.23 Вт/см2.

Полный текст

Доступ закрыт

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Черноголовка; Москва

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
Россия, Черноголовка; Москва

М. А. Воротынцев

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

Email: mivo2010@yandex.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Olabi, A.G., Onumaegbu, C., Wilberforce, T., Ramadan, M., Abdelkareem, M.A., and Al-Alami, A.H., Critical review of energy storage systems, Energy, 2021, vol. 214, Article number 118987.
  2. Rabuni, M.F., Li, T., Othman, M.H.D., Adnan, F.H., and Li, K., Progress in Solid Oxide Fuel Cells with Hydrocarbon Fuels, Energies, 2023, vol. 16, no. 17, Article number 6404.
  3. Lee, A.P.C. and Lee, C., It's time for an update – A perspective on fuel cell electrodes. Can. J. Chem. Eng., 2023, vol. 101, no. 11, p. 6050.
  4. Belhaj, I., Faria, M., Sljukic, B., Geraldes, V., and Santos, D.M., Bipolar Membranes for Direct Borohydride Fuel Cells – A Review, Membranes, 2023, vol. 13, no. 8, Article number 730.
  5. Muller, K., Thiele, S., and Wasserscheid, P., Evaluations of concepts for the integration of fuel cells in liquid organic hydrogen carrier systems, Energy & fuels, 2019, vol. 33, no. 10, p. 10324.
  6. Hassan, Q., Azzawi, I.D., Sameen, A.Z., and Salman, H.M., Hydrogen fuel cell vehicles: Opportunities and challenges, Sustainability, 2023, vol. 15, no. 15, Article number 11501.
  7. Braun, K., Wolf, M., De Oliveira, A., Preuster, P., Wasserscheid, P., Thiele, S., Weiss, L., and Wensing, M., Energetics of Technical Integration of 2‐Propanol Fuel Cells: Thermodynamic and Current and Future Technical Feasibility, Energy technol., 2022, vol. 10, no. 8, Article number 2200343.
  8. Cho, K.T., Tucker, M.C., and Weber, A.Z., A review of hydrogen/halogen flow cells, Energy Technol., 2016, vol. 4, no. 6, p. 655.
  9. Rubio-Garcia, J., Kucernak, A., Zhao, D., Li, D., Fahy, K., Yufit, V., Brandon, N., and Gomez-Gonzalez, M., Hydrogen/manganese hybrid redox flow battery, J. Phys. Energy, 2018, vol. 1, no. 1, Article number 015006.
  10. Preger, Y., Gerken, J.B., Biswas, S., Anson, C.W., Johnson, M.R., Root, T.W., and Stahl, S.S., Quinone-mediated electrochemical O2 reduction accessing high power density with an off-electrode Co–N/C catalyst, Joule, 2018, vol. 2, no. 12, p. 2722.
  11. Lin, G., Chong, P.Y., Yarlagadda, V., Nguyen, T.V., Wycisk, R.J., Pintauro, P.N., Bates, M., Mukerjee, S., Tucker, M.C., and Weber, A.Z., Advanced hydrogen-bromine flow batteries with improved efficiency, durability and cost, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 163, no. 1, p. A5049.
  12. Gunn, N.L., Ward, D.B., Menelaou, C., Herbert, M.A., and Davies, T.J., Investigation of a chemically regenerative redox cathode polymer electrolyte fuel cell using a phosphomolybdovanadate polyoxoanion catholyte, J. Power Sources, 2017, vol. 348, p. 107.
  13. Ge, G., Zhang, C., and Li, X., Multi-electron transfer electrode materials for high-energy-density flow batteries, Next Energy, 2023, vol. 1, no. 3, Article number 100043.
  14. Chen, R., Redox flow batteries for energy storage: Recent advances in using organic active materials, Curr. Opin. Electrochem., 2020, vol. 21, p. 40.
  15. VanGelder, L.E., Kosswattaarachchi, A.M., Forrestel, P.L., Cook, T.R., and Matson, E.M., Polyoxovanadate-alkoxide clusters as multi-electron charge carriers for symmetric non-aqueous redox flow batteries, Chem. Sci., 2018, vol. 9, no. 6, p. 1692.
  16. Laramie, S.M., Milshtein, J.D., Breault, T.M., Brushett, F.R., and Thompson, L.T., Performance and cost characteristics of multi-electron transfer, common ion exchange non-aqueous redox flow batteries, J. Power Sources, 2016, vol. 327, p. 681.
  17. Fang, X., Cavazos, A.T., Li, Z., Li, C., Xie, J., Wassall, S.R., Zhang, L., and Wei, X., Six-electron organic redoxmers for aqueous redox flow batteries, Chem. Commun., 2022, vol. 58, no. 95, p. 13226.
  18. Tolmachev, Y.V. and Vorotyntsev, M.A., Fuel cells with chemically regenerative redox cathodes, Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50, p. 403.
  19. Han, S.B., Kwak, D.H., Park, H.S., Choi, I.A., Park, J.Y., Kim, S.J., Kim, M.C., Hong, S., and Park, K.W., High‐Performance Chemically Regenerative Redox Fuel Cells Using a NO3–/NO Regeneration Reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, vol. 56, no. 11, p. 2893.
  20. Cho, K.T. and Razaulla, T., Redox-mediated bromate based electrochemical energy system, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, no. 2, p. A286.
  21. Chinannai, M.F. and Ju, H., Analysis of performance improvement of hydrogen/bromine flow batteries by using bromate electrolyte, Int. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, no. 26, p. 13760.
  22. Tolmachev, Y.V., Piatkivskyi, A., Ryzhov, V.V., Konev, D.V., and Vorotyntsev, M.A., Energy cycle based on a high specific energy aqueous flow battery and its potential use for fully electric vehicles and for direct solar-to-chemical energy conversion, J. Solid State Electrochem., 2015, vol. 19, p. 2711.
  23. Vorotyntsev, M.A., Antipov, A.E., and Konev, D.V., Bromate anion reduction: novel autocatalytic (EC″) mechanism of electrochemical processes. Its implication for redox flow batteries of high energy and power densities, Pure Appl. Chem., 2017, vol. 89, no. 10, p. 1429.
  24. Modestov, A.D., Konev, D.V., Antipov, A.E., Petrov, M.M., Pichugov, R.D., and Vorotyntsev, M.A., Bromate electroreduction from sulfuric acid solution at rotating disk electrode: Experimental study, Electrochim. Acta, 2018, vol. 259, p. 655.
  25. Modestov, A.D., Konev, D.V., Tripachev, O.V., Antipov, A.E., Tolmachev, Y.V., and Vorotyntsev, M.A., A Hydrogen–Bromate Flow Battery for Air‐Deficient Environments, Energy Technol., 2018, vol. 6, no. 2, p. 242.
  26. Modestov, A.D., Konev, D.V., Antipov, A.E., and Vorotyntsev, M.A., Hydrogen-bromate flow battery: can one reach both high bromate utilization and specific power? J. Solid State Electrochem., 2019, vol. 23, p. 3075.
  27. Campbell, A.N. and Paterson, W.G., The conductances of aqueous solutions of lithium chlorate at 25.00°C and at 131.8°C, Can. J. Chem., 1958, vol. 36, no. 6, p. 1004.
  28. Campbell, A.N., Kartzmark, E.M., and Maryk, W.B., The systems sodium chlorate-water-dioxane and lithium chlorate-water-dioxane, at 25°, Can. J. Chem., 1966, vol. 44, no. 8, p. 935.
  29. Hanley, J., Chevrier, V.F., Berget, D.J., and Adams, R.D., Chlorate salts and solutions on Mars, Geophys. Res. Lett., 2012, vol. 39, no. 8, Article number L08201.
  30. Konev, D.V., Goncharova, O.A., Tolmachev, Y.V., and Vorotyntsev, M.A., The Role of Chlorine Dioxide in the Electroreduction of Chlorates at low pH, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, no. 11, p. 978.
  31. Konev, D.V., Istakova, O.I., Ruban, E.A., Glazkov, A.T., and Vorotyntsev, M.A., Hydrogen-Chlorate Electric Power Source: Feasibility of the Device, Discharge Characteristics and Modes of Operation, Molecules, 2022, vol. 27, no. 17, Article number 5638.
  32. Kieffer, R.G. and Gordon, G., Disproportionation of chlorous acid. I. Stoichiometry, Inorg. Chem., 1968, vol. 7, no. 2, p. 235.
  33. Romanova, N.V., Konev, D.V., Muratov, D.S., Ruban, E.A., Tolstel, D.O., Galin, M.Z., Kuznetsov, V.V., and Vorotyntsev, M.A., Characteristics of the Charge–Discharge Cycle of Hydrogen–Bromine Battery with IrO2–TiO2-Titanium Felt Cathode Operating in the Full Capacity Utilization Mode, Russ. J. Electrochem., 2024, vol. 60, no. 12, p. 1061.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (234KB)
Метаданные
3. Рис. 1. (а) Циклические вольтамперограммы ячейки водородно-хлоратной батареи (загрузка платины на аноде 0.47 мг/см2, мембрана Nafion 212) с электролитом состава 1 M NaClO3 + 4 M H2SO4, 5 циклов развертки напряжения от НРЦ до 0.1 В со скоростью 0.005 В/с, номера кривых отвечают номеру цикла. Клемма рабочего электрода потенциостата присоединена к хлоратному электроду, через который протекает катодный ток. (б) Зависимости тока от времени в ходе измерения циклических вольтамперограмм ячейки водородно-хлоратной батареи с электролитами состава 1 М NaClO3 и различным содержанием серной кислоты: 1 – 4 М; 2 – 5 М; 3 – 6 М. Условия измерения отвечают рис. 1а; в частности, кривая 1 на рис. 1б – представление данных рис. 1а в координатах ток – время. Стрелками на рисунках показано направление изменения напряжения на каждом полуцикле, цифры при стрелках на рис. 1б – номера циклов.

Скачать (250KB)
Метаданные
4. Рис. 2. (а) Вольт-амперные характеристики разрядной ячейки для электролитов c 1 M NaClO32, мембрана Nafion 212, скорость развертки напряжения 0.005 В/с. Измерения начаты на свежеприготовленном электролите, показаны установившиеся отклики ячейки (пятый цикл). (б) Зависимость удельной мощности разряда от плотности тока по данным рис. 2а, содержание серной кислоты: 1 – 4 М; 2 – 5 М; 3 – 6 М.

Скачать (303KB)
Метаданные
5. Рис. 3. (а) Вольт-амперные характеристики разрядной ячейки для электролитов c 1 M NaClO3 + 5 M H2SO4 при различных загрузках платины на аноде: 1 – 0.23 мг/см2; 2 – 0.47 мг/см2; 3 – 1.04 мг/см2. Мембрана Nafion 212, скорость развертки напряжения 0.005 В/с. Измерения начаты на свежеприготовленном электролите, на рисунке показаны установившиеся циклы. (б) Зависимость удельной мощности разряда от плотности тока по данным рис. 3а, загрузка платины на аноде: 1 – 0.23 мг/см2; 2 – 0.47 мг/см2; 3 – 1.04 мг/см2.

Скачать (252KB)
Метаданные
6. Рис. 4. (а) Вольт-амперные характеристики разрядной ячейки для 1 M NaClO3 + 5 M H2SO4 электролита c мембранами различных толщин, мембраны: 1 – Nafion 211; 2 – Nafion 212; 3 – GP-IEM-105. Загрузка платины на аноде 0.47 мг/см2, скорость развертки напряжения 0.005 В/с. Измерения начаты на свежеприготовленном электролите, на рисунке показаны установившиеся циклы. (б) Зависимость удельной мощности разряда от плотности тока по данным рис. 4а, мембраны: 1 – Nafion 211; 2 – Nafion 212; 3 – GP-IEM-105.

Скачать (276KB)
Метаданные
7. Рис. 5. (а) Зависимость тока от времени на этапе 2 (“зажигание”) для ячейки водородно-хлоратной батареи при различных составах католита: 1 M NaClO3 + X M H2SO4, X = 4 (1); 5 (2); 6 (3). (б) Разрядные кривые напряжение – пропущенный заряд в ходе этапа 3 (отбор постоянного разрядного тока с плотностью 250 мА/см2) для католитов c различными содержаниями серной кислоты: 1 M NaClO3 - X M H2SO4, X = 4 (1); 5 (2); 6 (3). Загрузка платины 0.47 мг/см2 на аноде, мембрана Nafion 212.

Скачать (182KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025