一种光充电氧化还原液流电池制造技术

一种光充电氧化还原液流电池，包括敏化半导体电极（1），阴极电解液（7）、阳极电解液（8）、隔膜（2）、集流体（6）、储液罐（4）、泵（3）和液流电池反应室。通过敏化半导体电极的作用，可直接利用太阳能对阴极电解液和阳极电解液实施充电，实现了太阳能直接转化为化学能，以氧化还原电解液的形式储存在储液罐中，随时能再以电能的形式加以利用。本发明专利技术的优点在于将现有的染料敏化太阳能电池和液流电池进行优化组合，既具有染料敏化太阳能电池的光能转化功能、环境友好，成本低的优点，也具有液流电池的输出功率和容量相对独立，系统设计灵活等优势。

A Photocharged Redox Flow Battery

A photocharged redox flow battery comprises a sensitized semiconductor electrode (1), a cathode electrolyte (7), an anode electrolyte (8), a diaphragm (2), a collector (6), a liquid storage tank (4), a pump (3) and a liquid flow battery reaction chamber. By sensitizing the role of semiconductor electrodes, solar energy can be directly used to charge cathode electrolyte and anode electrolyte. Solar energy can be directly converted into chemical energy and stored in the tank in the form of redox electrolyte, which can be reused in the form of electric energy at any time. The invention has the advantages of optimizing the combination of the existing dye-sensitized solar cells and the liquid-flow solar cells, which not only has the advantages of light energy conversion function of the dye-sensitized solar cells, environmental friendliness and low cost, but also has the advantages of relatively independent output power and capacity of the liquid-flow solar cells and flexible system design.

【技术实现步骤摘要】
一种光充电氧化还原液流电池
本专利技术涉及一种光充电氧化还原液流电池，属光电化学电池

技术介绍
能源问题始终是制约人类社会发展的重大问题。随着化石能源的枯竭，新能源和可再生能源引起了人们的广泛关注。太阳能具有环境友好、资源丰富等优点，被认为是最安全、最绿色、最理想的替代能源。染料敏化太阳能电池具有光电转换效率高、成本低、工艺简单、易于大规模生产及环境友好等优点，已成为太阳能研究的热点。由于受太阳光光照强度及光照时间的影响，太阳能电池的输出功率不是很稳定，因此大规模引入太阳能光伏发电可能造成电力系统的不稳定。氧化还原液流电池是一种大规模高效储能装置，具有输出功率和容量相对独立，系统设计灵活，能量效率高，使用寿命长，设备维护改造简单，成本低廉等众多优势，在储能电站、电网调峰等领域发挥重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，综合染料敏化太阳能电池和氧化还原液流电池的优点，设计一种光充电氧化还原液流电池。通过光阳极的作用，直接利用太阳能对阴极电解液和阳极电解液实施充电，实现了太阳能直接转化为化学能，以氧化还原电解液的形式储存在储液罐中，随时能再以电能的形式加以利用。实现本专利技术的技术方案如下，一种光充电氧化还原液流电池，包括阴极电解液、阳极电解液、隔膜、集流体、储液罐、泵和液流电池反应室。所述液流电池在电池中加入敏化半导体电极；所述液流电池通过设置在其内的敏化半导体电极的作用，直接利用太阳光对阴极电解液和阳极电解液实施充电，实现太阳能直接转化为化学能；以氧化还原电解液的形式储存在储液罐中，随时能再以电能的形式加以利用。所述敏化半导体电极为染料敏化的纳米半导体氧化物电极，其中染料为钌配合物染料，半导体为二氧化钛、二氧化锌。所述液流反应室为一密闭容器，隔膜从上至下将液流反应室分成阴极室和阳极室两部分；阴极室一侧设有敏化半导体电极和集流体，并充有阴极电解液；阳极室设有集流体并充有阳极电解液；阴极电解液通过阴极室上部的管道连接室外的第一储液罐、第一号泵，再回流至阴极室底部；阳极电解液通过阳极室上部的管道连接室外的第二储液罐、第二号泵，再回流至阳极室底部；由敏化半导体电极引出的导线通过开关分别连接阳极室的集流体、阴极室的集流体。所述阴极电解液中的氧化还原电对在有机溶剂或水中有一定的溶解度，还需要有良好的氧化还原可逆性以及合适的氧化还原电位，即阴极电解液中的氧化还原电对的平衡电势要低于氧化态染料的电势，包括碘化钠、溴化钠、碘化锂。所述阳极电解液中的氧化还原电对在有机溶剂或水中有一定的溶解度，还需要有良好的氧化还原可逆性以及合适的氧化还原电位，即阳极电解液中的氧化还原电位的平衡电势要高于纳米半导体的费米能级，包括钨酸钠、磷钨酸钠、磷酸锂或钨酸锂。所述隔膜为离子交换膜，包括钠离子导体膜、nafion膜或锂离子导体。所述集流体为具有良好的导电性、稳定的化学性质、较好的电催化活性的材料，如金属材料、过渡金属氮化物、过渡金属碳化物、过渡金属硫化物或碳材料。本专利技术光充电氧化还原液流电池的工作原理如下：电池工作时，阴、阳极电解液在泵的驱动下，从储液罐中进入电池反应室中，在集流体上发生氧化还原反应。电池在光充电时，光照条件下，染料吸收太阳能，使染料分子中的电子受激发而跃迁到激发态，处于激发态的电子通过外电路导入到阳极电解液中，为了平衡电荷，钠离子通过离子交换膜传输到阳极电解液中。与此同时，处于激发态的染料氧化阴极电解液中的氧化还原电对，而回到基态。放电过程中，储存在阳极电解液中的电子通过外电路流向阴极电解液，同时钠离子通过离子交换膜传输到阴极电解液中。本专利技术的优点在于将现有的染料敏化太阳能电池和液流电池进行优化组合，既具有染料敏化太阳能电池的光能转化效率高、环境友好，成本低的优点，也具有液流电池的输出功率和容量相对独立，系统设计灵活，设备维护改造简单，成本低廉等优势，具有显著的独创性，并且结构紧凑，制备方法简单。附图说明图1是本专利技术光充电氧化还原液流电池的结构示意图，其中，1是敏化半导体电极，2是隔膜，3是泵，4是储液罐，5是开关，6是集流体，7是阴极电解液，8是阳极电解液；图2为采用实施例1所组装的光充电氧化还原液流电池，光照时间为10分钟，在30微升每分钟的流速和0.025毫安每平方厘米的电流密度下的首周充放电曲线；图3为采用实施例1所组装的光充电氧化还原液流电池，光照时间为10分钟，在30微升每分钟的流速和0.025毫安每平方厘米的电流密度下的循环容量图；图4为采用实施例2所组装的光充电液流电池，光照时间为5分钟，在30微升每分钟的流速和0.025毫安每平方厘米的电流密度下的循环容量图。具体实施方式本实施例的光充电液流电池包括敏化半导体电极1，阴极电解液7、阳极电解液8、隔膜2、集流体6、储液罐4、泵3和液流反应室，本实施例工作原理及液流电池结构如图1所示。本实施例的阴极电解液中的氧化还原电对在有机溶剂或水中有一定的溶解度，还需要有良好的氧化还原可逆性以及合适的氧化还原电位，即阴极电解液中的氧化还原电对的平衡电势要低于氧化态染料的电势。所述的阳极电解液中的氧化还原电对在有机溶剂或水中有一定的溶解度，还需要有良好的氧化还原可逆性以及合适的氧化还原电位，即阳极电解液中的氧化还原电对的平衡电势要正于纳米半导体TiO2的费米能级。本实施例的光阳极为染料敏化的纳米半导体氧化物。隔膜为离子交换膜，如钠离子导体膜、nafion膜。集流体为具有良好的导电性，稳定的化学性质的材料，如金属材料、过渡金属氮化物、过渡金属碳化物、过渡金属硫化物或碳材料。本实施例的光充电液流电池在光照条件下，敏化半导体电极吸收太阳光，实现光生电子与空穴分离，光生电子通过外电路传输到阳极电解液中，并以化学能的形式存储在电解液中。光生空穴氧化阴极电解液活性物质，从而恢复到基态。从而完成光能到化学能的转化。无光照时，光充电氧化还原液流电池的工作原理和普通电池一样，通过阴极电解液和阳极电解液中的活性物质的氧化还原实现对外进行能量输出。以下结合具体实例，进一步阐述本专利技术。但这些实例仅限于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1（1）敏化半导体电极的制备：将纳米TiO2胶体均匀的刮涂在导电玻璃上，置于马弗炉中，在450℃烧结0.5h，待自然冷却至50℃以下，将样品浸入预先配制的染料中（0.50毫摩尔每升N719的无水乙醇溶液）中，浸泡24h后取出，无水乙醇清洗、吹干，得到光阳极。（2）阴极电解液组成为碘化钠（0.1摩尔每升），叔丁基吡啶（0.1摩尔每升）的碳酸丙烯酯溶液。阳极电解液组成为钨酸钠（0.01摩尔每升），高氯酸钠（0.1摩尔每升）的水溶液（3）按照所述结构，将敏化半导体电极、离子交换膜，集流体组装在一起，注入电解液，封装，连接导线，形成光充电液流电池。在100毫瓦每平方厘米的光照强度下，光充电10分钟后，关闭光源，放电截止电压为0.2伏，放电流密度为0.025毫安每平方厘米，流速为30微升每分钟条件下测试。在30微升每分钟的流速和0.025毫安每平方厘米的电流密度下的首周液流电池充放电曲线如图2所示；液流电池循环容量如图3所示。实施例2（1）敏化半导体电极的制备。按照实施案例1，第一步实施。（2）阳极电解液组成为磷钨酸钠（0.01摩尔每升），高氯酸钠（本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光充电氧化还原液流电池，包括阴极电解液、阳极电解液、隔膜、集流体、储液罐、泵和液流电池反应室；其特征在于，所述液流电池还包括敏化半导体电极；所述液流电池通过设置在其内的敏化半导体电极的作用，直接利用太阳光对阴极电解液和阳极电解液实施充电，实现太阳能直接转化为化学能；以氧化还原电解液的形式储存在储液罐中，随时能再以电能的形式加以利用。

【技术特征摘要】
1.一种光充电氧化还原液流电池，包括阴极电解液、阳极电解液、隔膜、集流体、储液罐、泵和液流电池反应室；其特征在于，所述液流电池还包括敏化半导体电极；所述液流电池通过设置在其内的敏化半导体电极的作用，直接利用太阳光对阴极电解液和阳极电解液实施充电，实现太阳能直接转化为化学能；以氧化还原电解液的形式储存在储液罐中，随时能再以电能的形式加以利用。2.根据权利要求1所述的一种光充电氧化还原液流电池，其特征在于，所述敏化半导体电极为染料敏化的纳米半导体氧化物电极，其中染料为钌配合物染料，半导体为二氧化钛、二氧化锌。3.根据权利要求1所述的一种光充电氧化还原液流电池，其特征在于，所述液流反应室为一密闭容器，隔膜从上至下将液流反应室分成阴极室和阳极室两部分；阴极室一侧设有敏化半导体电极和集流体，并充有阴极电解液；阳极室设有集流体并充有阳极电解液；阴极电解液通过阴极室上部的管道连接室外的第一储液罐、第一号泵，再回流至阴极室底部；阳极电解液通过阳极室上部的管道连接室外的第二储液罐、第二号泵，再回流至阳极室底部；由敏化半导体电极引...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏南富，石劲松，崔红敏，柳跃伟，
申请(专利权)人：江西省科学院应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：江西,36