Везде

ОХНМЭлектрохимия Russian Journal of Electrochemistry

  • ISSN (Print) 0424-8570
  • ISSN (Online) 3034-6185

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

Вы можете
Код статьи
S0424857025030039-1
DOI
10.31857/S0424857025030039
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Истакова О. И.
  • Аффилиация:
    Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
    Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Воротынцев М. А.
  • Аффилиация: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Том/ Выпуск
Том 61 / Номер выпуска 3
Страницы
187-198
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.
Ключевые слова
водородно-хлоратный генератор тока редокс-медиаторный автокатализ плотность тока и мощность разряда фарадеевская (зарядовая) и энергетическая эффективности время выхода на стационарный режим
Дата публикации
17.09.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
13

Библиография

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 18. Tolmachev, Y.V. and Vorotyntsev, M.A., Fuel cells with chemically regenerative redox cathodes, Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50, p. 403.
  19. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 32. Kieffer, R.G. and Gordon, G., Disproportionation of chlorous acid. I. Stoichiometry, Inorg. Chem., 1968, vol. 7, no. 2, p. 235.
  33. 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.
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека