CN222948483U - 一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种阴极流道导流式电解制备钒电解液系统，包括电解装置，所述电解装置包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分和阳极部分通过质子交换膜分隔开；所述阴极部分包括依次叠置安装的端板、绝缘板、集流板、双极板、阴极电极和绝缘垫，所述双极板与阴极电极贴合的一侧侧面开设有蛇形、直线型或交指型的阴极流道，所述阴极流道为开口槽形式，阴极流道的一端为阴极电解液入口，另一端为阴极电极液出口。采用本申请的阴极流道导流式电解制备钒电解液系统，降低了制备能耗，提高了制备效率。

Description

一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，具体涉及一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统。

背景技术

全钒液流电池具有容量和功率可以独立设计、高安全水平、使用寿命长、设计灵活性好、环境友好等优点，使得全钒液流电池储能技术在各种储能技术中脱颖而出，被普遍认为是最具有大规模应用潜力的储能技术。

高成本是限制全钒液流电池大规模应用的主要因素之一，据报道，全钒液流电池电解液(钒电解液)的制造和运维成本占到全钒液流电池储能系统成本的40％～60％。电解液的制备方法主要是纯电解法与化学还原和电解结合法，纯电解法由于不引入杂质、可规模化等优点而受到研究者的广泛青睐。

全钒液流电池电解液一般以硫酸为支撑体系，以硫酸氧钒或五氧化二钒为原料，硫酸氧钒价格昂贵，制备难度大，因此，以价格低廉及制备工艺相对简单的五氧化二钒为原料制备全钒液流电池电解液是降低全钒液流电池电解液制备成本的最有效途径。然而，五氧化二钒与硫酸氧钒相比，在硫酸中溶解度极低且溶解速率缓慢，国标GB/T 37204-2018中规定了全钒液流电池电解液中钒离子浓度不低于1.5mol/L，若以五氧化二钒为原料制备浓度为1.5mol/L以上的电解液，使用纯电解法电解时，五氧化二钒仅有微量可以自然溶解于硫酸中，因此，使用纯电解法制备全钒液流电池电解液，在泵的作用下，如何使得五氧化二钒悬浊液在电解装置中低能耗、高速率电解，是阻碍纯电解法规模化制备五氧化二钒电解液的主要问题。

使用H型电解槽，以五氧化二钒为原料制备全钒液流电池电解液时，悬浊液非流动，势必造成传质方式不优，物料混合不充分的劣势，这导致了使用H型电解槽制备电解液时，该装置高能耗、低速率且石墨毡易被腐蚀的缺点；为克服以上缺点，专利CN200810012119.5公开了一种钒电解液的制备方法及装置，但其未考虑电解液生产过程中五氧化二钒悬浊液堵塞、沉淀等问题；刘然等曾在国内首次搭建了流动电解五氧化二钒悬浊液的装置，制得性能良好的全钒液流电池电解液，解决了电解过程中物料混合不均匀的问题，但该装置具有电解速率慢且能耗高的缺点，且该装置应用于大规模制备电解液前景未知；专利CN201520407125.3报道了一种有大规模生产液流电池电解液的装置，然而，采用该装置宏量制备电解液时，电解液制备能耗及速率这两大影响电解液成本的关键问题未见有明确提升。

影响电解效率和能耗的其中一个关键因素是：由于阴极电解液为将五氧化二钒粉末溶于稀硫酸中形成的五氧化二钒悬浊液，当其不受约束(即向四周自由流动，缺乏导向性)的流经阴极电极时，悬浊液流动速度慢，影响反应效率和能耗。

实用新型内容

有鉴于此，本申请的目的在于至少解决上述问题之一，提供一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，以便降低制备能耗，提高制备效率。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，包括电解装置，所述电解装置包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分和阳极部分通过质子交换膜分隔开；所述阴极部分包括依次叠置安装的端板、绝缘板、集流板、双极板、阴极电极和绝缘垫，所述双极板与阴极电极贴合的一侧侧面开设有蛇形、直线型或交指型的阴极流道，所述阴极流道为开口槽形式，阴极流道的一端为阴极电解液入口，另一端为阴极电极液出口。

进一步，所述阳极部分包括依次叠置安装的端板、绝缘板、集流板、阳极板、流体框和密封垫，所述流体框与阳极板贴合的一侧侧面开设有阳极流道，所述阳极流道为开口槽式，阳极流道上并列间隔设置有多个分流柱，阳极流道的一端为阳极电解液入口，另一端为阳极电极液出口。

进一步，所述阳极板采用镀氧化铱涂层、或镀钌铱钛的钛板或钛毡。

进一步，所述阴极部分和阳极部分叠置且采用紧固件紧固。

进一步，还包括阴极电解液循环装置，所述阴极电解液循环装置包括阴极储液罐、电解液输送管道和输送泵，所述阴极电解液入口和阴极电解液出口均通过电解液输送管道与阴极储液罐连通，在阴极电解液入口与阴极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

进一步，还包括阳极电解液循环装置，所述阳极电解液循环装置包括阳极储液罐、电解液输送管道和输送泵，所述阳极电解液入口和阳极电解液出口均通过电解液输送管道与阳极储液罐连通，在阳极电解液入口与阳极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

进一步，还包括充放电控制系统，所述充放电控制系统与阴极电极和阳极板电连接。

本实用新型的有益效果：

(1)采用镀氧化铱涂层、或镀钌铱钛的钛板或钛毡为阳极，加速阳极析氧反应速率的同时，降低析氧反应的过电位，使得制备同体积、同浓度电解液的能耗更低。

(2)根据阳极、阴极反应的不同特点及要求，采用可以满足阴、阳极流体流动的方式，其中阴极基于双极板布置阴极流道，阳极基于流体框布置阳极流道，一方面，阴极流道对悬浊液具有导流作用，避免其自由流散，保证了流动速度，优化了流动方式，降低了接触电阻，另一方面，实现阳极电极液的分流供给，进一步降低了制备同质量电解液的能耗。

(3)由于阴极流道的存在，使得钒离子与质子交换膜的接触受限，不影响质子传递的同时，可以阻碍钒离子的跨膜输运，使得制备过程中原料损耗降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1为本实用新型优选实施例的示意图；

图2为电解装置的爆炸示意图；

图3为双极板的示意图；

图4为流体框的示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图4所示，本实施例提供了一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，包括电解装置4、阴极电解液循环装置、阳极电解液循环装置和充放电控制系统5，所述电解装置包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分和阳极部分通过质子交换膜分隔开；所述阴极部分包括依次叠置安装的端板401、绝缘板408、集流板402、双极板403、阴极电极404和绝缘垫405，所述双极板与阴极电极贴合的一侧侧面开设有蛇形、直线型或交指型的阴极流道4032，所述阴极流道为开口槽形式，所述阴极流道的一端为阴极电解液入口4031，另一端为阴极电极液出口4033。

所述阳极部分包括依次叠置安装的端板401、绝缘板408、集流板402、阳极板407、流体框406和密封垫405，所述流体框与阳极板贴合的一侧侧面开设有阳极流道4062，所述阳极流道为开口槽式，阳极流道上并列间隔设置有多个分流柱4064，阳极流道的一端为阳极电解液入口4061，另一端为阳极电极液出口4065；具体装配时，阳极板与阳极流道贴合，相邻分流柱之间形成分流间隙，即可实现阳极电极液(稀硫酸)分流，从而使阳极电解液均匀分散的与阳极板接触、反应。

所述阳极板采用镀氧化铱涂层、或镀钌铱钛的钛板或钛毡；本实施例，所述阳极板采用镀氧化铱涂层的钛板。此外，由于质子交换膜为与现有技术一致的必备构件，所以附图中没有体现，质子交换膜通过绝缘垫夹持固定。

所述阴极电解液循环装置包括阴极储液罐3、电解液输送管道和输送泵，所述阴极电解液入口和阴极电解液出口均通过电解液输送管道与阴极储液罐连通，在阴极电解液入口与阴极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

所述阳极电解液循环装置包括阳极储液罐1、电解液输送管道6和输送泵2，所述阳极电解液入口和阳极电解液出口均通过电解液输送管道与阳极储液罐连通，在阳极电解液入口与阳极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

所述充放电控制系统与阴极电极和阳极板电连接。

可以理解的是：所述阴极部分和阳极部分叠置且采用紧固件紧固，优选地，可以在各装配构件上开设与紧固件装配的定位孔，如在双极板的四角开设双极板定位孔4034，在流体框的四角开设流体框定位孔4063。

所述端板为不锈钢材料制作，起到紧固装置，承受应力的作用；所述绝缘板由绝缘PVC材料用数控机床加工而成，起到分隔端板与集流板的作用；所述集流板由紫铜材料制成，起到收集电流，导电的作用；所述阳极板充当阳极电极，起到电解水以及导电的作用；所述流体框由耐腐蚀绝缘的PVC板材经数控机床加工制成，起到分配阳极电解液，供阳极电解液流动的作用；所述密封垫由可压缩，不渗透，绝缘的氟胶平垫制成，起到封闭流体框以及双极板表面、固定质子交换膜的作用；所述质子交换膜采用杜邦Nafion117质子交换膜，分隔阴、阳极电解液，仅供氢离子通过形成回路；所述双极板由经过防渗透处理的10毫米厚石墨板加工而成，在双极板表面刻有深度为1毫米的蛇形、平型或交指型的阴极流道；所述阴级电极采用4.6毫米厚度的石墨毡，压缩后压缩率为35％，为五氧化二钒悬浊液中的5价钒离子提供还原反应的反应点位。在本实例中，采用尺寸为3cm*3cm的石墨毡作为阴极电极。

除了电解装置之外，整套系统还配备了阴极电解液循环装置、阳极电解液循环装置和充放电控制系统，在电解制备电解液的过程中，控制向电解装置中充入的电量，就可以准确地制备出3.5价的电解液。

在本装置中，刻有阴极流道的双极板以及刻有阳极流道的流体框是最为核心的部件，其中双极板是阴极电解液(悬浊液)流动并渗透入阴极电极与阳极区域发生质子交换的场所，并且起到了导电的作用。流体框则承担了稀硫酸(阳极电解液)的分配功能。

双极板与与阴极侧的集流板紧密接触，阴极电解液出、入口则有耐腐蚀密封垫圈保护，防止阴极电解液与阴极侧的集流板接触。流体框与阳极板之间通过耐腐蚀，强度高的硅胶胶合密封。

在双极板上，根据电解液的传质以及流动特性，设计阴极流道。如采用蛇形流道时，五氧化二钒悬浊液在阴极电极中的传质得到强化，反应物分布更加均匀，反应速率得到提升。采用直型流道时，悬浊液的流动距离更短，压降更低，电解过程中消耗的泵功减少，系统能耗减少。

工作过程如下：

将五氧化二钒粉末溶于稀硫酸中形成五氧化二钒悬浊液，悬浊液在输送泵的作用下从阴极储液罐进入阴极流道，渗透入阴极电极中发生还原反应。阳极储液罐中则存放稀硫酸，稀硫酸在输送泵作用下进入阳极流道，在镀氧化铱的钛板(阳极板)上发生析氧反应。

电解装置的阴极部分与阳极部分通过质子交换膜分隔开，质子交换膜只允许氢离子通过，外电路中则有电子的定向传输，二者与电解装置中的导电结构共同形成电解装置的电路通路。

进入电解装置反应的稀硫酸在镀氧化铱的钛板上发生析氧反应(反应方程式1.1)；

进入电解装置反应的五氧化二钒悬浊液中的5价钒首先会被还原成4价(反应方程式1.2)，在输送泵的作用下回到阴极储液罐，与未反应的五氧化二钒悬浊液混合，4价钒与5价钒的混合液继续被抽入电解装置，继续发生5价钒被还原成4价钒(反应方程式1.2)以及4价钒被还原成3价钒(反应方程式1.3)的反应，生成的3价钒又促进5价钒的溶解(反应方程式1.4)。

控制电解时间，即可获得3.5价钒电解液。

阳极储液罐内稀硫酸发生的反应方程式：

2H₂O-4e^-→4H⁺+O₂ (1.1)

阴极储液罐内悬浊液发生的反应方程式：

VO²⁺+e^-+2H⁺→V³⁺+H₂O (1.3)

综上所述，本申请的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，具有如下特点：

1、采用自行设计流体框和双极板，实现了阴、阳两极电解液的非对称流动方式；2、自设计的电解装置成本低廉，装配简单，便于维护；3、阴极部分采用蛇形、直型或交指型流道，强化五氧化二钒悬浊液在电解装置中的传质，降低电解法制备电解液的能耗；4、使用镀氧化铱钛板作为阳极反应材料，降低了析氧反应的过电位以及电解制备电解液的能耗。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，包括电解装置，所述电解装置包括阴极部分和阳极部分，所述阴极部分和阳极部分通过质子交换膜分隔开；其特征在于：所述阴极部分包括依次叠置安装的端板、绝缘板、集流板、双极板、阴极电极和绝缘垫，所述双极板与阴极电极贴合的一侧侧面开设有蛇形、直线型或交指型的阴极流道，所述阴极流道为开口槽形式，阴极流道的一端为阴极电解液入口，另一端为阴极电极液出口。

2.根据权利要求1所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：所述阳极部分包括依次叠置安装的端板、绝缘板、集流板、阳极板、流体框和密封垫，所述流体框与阳极板贴合的一侧侧面开设有阳极流道，所述阳极流道为开口槽式，阳极流道上并列间隔设置有多个分流柱，阳极流道的一端为阳极电解液入口，另一端为阳极电极液出口。

3.根据权利要求2所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：所述阳极板采用镀氧化铱涂层、或镀钌铱钛的钛板或钛毡。

4.根据权利要求3所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：所述阴极部分和阳极部分叠置且采用紧固件紧固。

5.根据权利要求4所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：还包括阴极电解液循环装置，所述阴极电解液循环装置包括阴极储液罐、电解液输送管道和输送泵，所述阴极电解液入口和阴极电解液出口均通过电解液输送管道与阴极储液罐连通，在阴极电解液入口与阴极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

6.根据权利要求5所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：还包括阳极电解液循环装置，所述阳极电解液循环装置包括阳极储液罐、电解液输送管道和输送泵，所述阳极电解液入口和阳极电解液出口均通过电解液输送管道与阳极储液罐连通，在阳极电解液入口与阳极储液罐之间的电解液输送管道上安装有输送泵。

7.根据权利要求6所述的阴极流道导流式电解制备钒电解液的系统，其特征在于：还包括充放电控制系统，所述充放电控制系统与阴极电极和阳极板电连接。