RU2251763C2 - Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery - Google Patents

Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery Download PDF

Info

Publication number
RU2251763C2
RU2251763C2 RU2003107048/09A RU2003107048A RU2251763C2 RU 2251763 C2 RU2251763 C2 RU 2251763C2 RU 2003107048/09 A RU2003107048/09 A RU 2003107048/09A RU 2003107048 A RU2003107048 A RU 2003107048A RU 2251763 C2 RU2251763 C2 RU 2251763C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vanadium
electrolyte
anode
electrolyzer
electrolyte solution
Prior art date
Application number
RU2003107048/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003107048A (en
Inventor
Альберто ПЕЛЛЕГРИ (IT)
Альберто ПЕЛЛЕГРИ
Барри Майкл БРОУМАН (US)
Барри Майкл БРОУМАН
Original Assignee
Сквиррел Холдингз Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сквиррел Холдингз Лтд filed Critical Сквиррел Холдингз Лтд
Priority to RU2003107048/09A priority Critical patent/RU2251763C2/en
Publication of RU2003107048A publication Critical patent/RU2003107048A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2251763C2 publication Critical patent/RU2251763C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

FIELD: renewable electrochemical devices for energy storage in reduction-oxidation batteries.
SUBSTANCE: novelty is that acid vanadium electrolyte liquor that has in its composition V+3 and V+4 in desired concentration ratio introduced in electrolyte solution is produced from solid vanadium pentoxide by electrochemical method while at least partially reducing dissolved vanadium in acid electrolyte liquor; for the purpose electrolyte liquor is circulated through plurality of cascaded electrolyzers at least partially to V+3 degree; in this way reduced vanadium incorporating electrolyte liquor leaving the last of mentioned electrolyzers enters in reaction with stoichiometric amount of vanadium pentoxide to produce electrolyte liquor incorporating in effect vanadium in the V+3 form; acid and water are introduced to ensure definite molarity of liquor and the latter is continuously circulated through cascaded electrolyzers; stream of electrolyte liquor produced in the process that incorporates V+3 and V+4 in desired concentrations is discharged at outlet of one of electrolyzers of mentioned cascade. Each electrolyzer is distinguished by high degree of asymmetry and has cathode and anode of relevant surface morphology, geometry, and relative arrangement for setting current density on anode surface exceeding by 5 to 20 times that on projected cathode surface, oxygen being emitted from anode surface. Asymmetric electrolyzer of this type can be used in one of electrolyte circuits, positive or negative, of operating battery (cell) for reducing balance of respective oxidation degrees of their vanadium content.
EFFECT: facilitated procedure and reduced coast of vanadium electrolyte preparation.
10 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Уровень техникиState of the art

Изобретение в общем относится к возобновляемому электрохимическому устройству для хранения энергии в системах восстановительно-окислительной поточной батареи (аккумулятора) и, в частности, к так называемым полностью ванадиевым восстановительно-окислительным вторичным батареям (аккумуляторам).The invention generally relates to a renewable electrochemical device for storing energy in systems of a redox flow battery (accumulator) and, in particular, to so-called fully vanadium redox secondary batteries (accumulators).

Ванадиевая восстановительно-окислительная поточная батарея, также называемая полностью ванадиевым восстановительно-окислительным элементом или просто – ванадиевым восстановительно-окислительным элементом или батареей, использует V(II)/V(III) и V(IV)/V(V) в качестве двух восстановительно-окислительных пар в отрицательном (иногда называемом анолитом) и положительном (иногда называемом католитом) полуэлементных растворах электролита соответственно.A vanadium reduction and oxidation flow battery, also called a fully vanadium reduction and oxidation cell or simply a vanadium reduction and oxidation cell or battery, uses V (II) / V (III) and V (IV) / V (V) as two reduction -oxidative pairs in negative (sometimes called anolyte) and positive (sometimes called catholyte) semi-electrolyte solutions, respectively.

Обычный электролит, используемый в ванадиевой батарее, состоит из 50% ионов ванадия со степенью окисления +3 и 50% ионов ванадия со степенью окисления +4.The usual electrolyte used in a vanadium battery consists of 50% vanadium ions with an oxidation state of +3 and 50% vanadium ions with an oxidation state of +4.

Электролит обычно подразделяется на две равные части, которые соответственно помещаются в положительной и отрицательной камерах батареи, а точнее – в соответствующих циркуляционных контурах. В этом исходном состоянии батарея имеет напряжение разомкнутой цепи, практически равное нулю.The electrolyte is usually divided into two equal parts, which are respectively placed in the positive and negative chambers of the battery, and more precisely - in the corresponding circulation circuits. In this initial state, the battery has an open circuit voltage of almost zero.

При пропускании тока через батарею внешним источником с достаточно высоким выходным напряжением V+4 (50%) в отрицательном электролите восстановится до V+3, и в то же время V+3 (50%) в положительном электролите окислится до V+4.When the current is passed through the battery by an external source with a sufficiently high output voltage, V +4 (50%) in the negative electrolyte will be restored to V +3, and at the same time, V +3 (50%) in the positive electrolyte will oxidize to V +4 .

В определенное время отрицательный электролит, постоянно циркулирующий через соответствующие электродные камеры батареи за счет циркуляционного насоса отрицательного электролита, будет содержать только V+3, а положительный электролит, циркулирующий через соответствующие электродные камеры батареи с помощью циркуляционного насоса положительного электролита, будет содержать только V+4.At a certain time, the negative electrolyte constantly circulating through the corresponding electrode chambers of the battery due to the circulation pump of the negative electrolyte will contain only V +3 , and the positive electrolyte circulating through the corresponding electrode chambers of the battery using the circulating pump of the positive electrolyte will contain only V +4 .

В этом состоянии батарея считается имеющей нулевое состояние заряда (СЗ), и напряжение разомкнутой цепи для такой батареи будет приблизительно составлять 1,1 В.In this state, the battery is considered to have a zero charge state (C3), and the open circuit voltage for such a battery will be approximately 1.1 V.

При продолжении подачи “заряжающего” тока через батарею на отрицательном электроде V+3 восстановится до V+2, а на положительном электроде V+4 окислится до V+5. По завершении этого превращения (в конце процесса подзарядки) батарея будет иметь напряжение разомкнутой цепи около 1,58 В, и батарея будет считаться имеющей СЗ, равное 100%.With continued supply of the “charging” current through the battery on the negative electrode, V +3 will be restored to V +2 , and on the positive electrode, V +4 will oxidize to V +5 . Upon completion of this conversion (at the end of the recharging process), the battery will have an open circuit voltage of about 1.58 V, and the battery will be considered to have an SOC of 100%.

Ванадий выпускается промышленностью в виде пятиокиси ванадия (или также ванадата аммония). В любом случае ее обычно реализуют в степени окисления +5.Vanadium is commercially available as vanadium pentoxide (or also ammonium vanadate). In any case, it is usually realized in an oxidation state of +5.

Зарядная емкость установки полностью ванадиевой восстановительно-окислительной батареи определяется количеством ванадия, растворенного в кислом электролите. Для данной молярности растворов электролитов зарядная емкость прямо пропорциональна объему двух электролитов.The charging capacity of the installation of a fully vanadium redox battery is determined by the amount of vanadium dissolved in the acidic electrolyte. For a given molarity of electrolyte solutions, the charging capacity is directly proportional to the volume of two electrolytes.

Имеется очевидная необходимость получения кислых растворов ванадия, подходящих в качестве электролита для первой заправки двух контуров системы восстановительно-окислительной батареи и/или для увеличения зарядной емкости действующей батареи с помощью выпускаемой промышленностью пятиокиси ванадия (или ванадата аммония) в качестве исходного материала (сырья).There is an obvious need to obtain acidic vanadium solutions suitable as an electrolyte for the first charging of two circuits of a reduction-oxidation battery system and / or to increase the charging capacity of an active battery using commercially available vanadium pentoxide (or ammonium vanadate) as a starting material (raw material).

Способ приготовления ванадиевого электролита поэтому является способом, согласно которому растворяют V2O5 в серной кислоте (или в другой кислоте) и восстанавливают ее до нужной смеси V+3 (около 50%) и V+4 (около 50%).The method of preparing a vanadium electrolyte is therefore a method according to which V 2 O 5 is dissolved in sulfuric acid (or in another acid) and reduced to the desired mixture of V +3 (about 50%) and V +4 (about 50%).

Тонкоизмельченная (порошковая) твердая пятиокись ванадия только в небольшой степени растворима в воде или в такой кислоте, как, например, серная кислота; поэтому простой способ приготовления электролита путем растворения V2О5 в кислоте невозможен.Finely ground (powder) solid vanadium pentoxide is only slightly soluble in water or in an acid such as, for example, sulfuric acid; therefore, a simple method for preparing an electrolyte by dissolving V 2 O 5 in acid is not possible.

Для растворения V2О5 сначала необходимо восстановить ее до более низкой (легче растворимой) степени окисления.To dissolve V 2 O 5 it is first necessary to restore it to a lower (easier soluble) oxidation state.

Для растворения и восстановления V+5 предлагались разные способы, в основном за счет применения восстанавливающих соединений, или предлагались усложненные электролитические или химические способы обработки.Various methods have been proposed for dissolving and reducing V +5 , mainly through the use of reducing compounds, or sophisticated electrolytic or chemical processing methods have been proposed.

Документ ЕР-А-0566019 раскрывает способ получения ванадиевого раствора электролита путем химического восстановления пятиокиси ванадия или ванадата аммония в концентрированной серной кислоте, после чего проводится тепловая обработка осадка.Document EP-A-0566019 discloses a method for producing a vanadium electrolyte solution by chemical reduction of vanadium pentoxide or ammonium vanadate in concentrated sulfuric acid, after which the precipitate is heat treated.

Документы WO 95/12219 и WO 96/35239 раскрывают электрохимический-химический способ приготовления ванадиевого электролитного раствора из твердой пятиокиси ванадия, а также способ его стабилизирования. Пятиокись ванадия растворяют на особом жалюзном катоде ионно-обменного мембранного электролизера при пропускании взвеси пятиокоси ванадия при контактировании с жалюзным катодом.Documents WO 95/12219 and WO 96/35239 disclose an electrochemical-chemical method for preparing a vanadium electrolyte solution from solid vanadium pentoxide, as well as a method for stabilizing it. Vanadium pentoxide is dissolved at the special louvre cathode of the ion-exchange membrane electrolyzer while passing through a suspension of vanadium pentoxide during contact with the louvre cathode.

Разработанные к настоящему времени способы и методы приготовления соответствующего ванадиевого кислого электролита являются довольно сложными и дорогостоящими. С другой стороны, для общей рентабельности системы полностью ванадиевой поточной восстановительно-окислительной батареи наличие ванадиевого раствора электролита с относительно низкой стоимостью является важным фактором оценки рентабельности ванадиевой восстановительно-окислительной батареи по сравнению с другими системами хранения энергии.The methods and methods developed to date for the preparation of the corresponding vanadium acidic electrolyte are quite complex and expensive. On the other hand, for the overall cost-effectiveness of a system of a fully vanadium in-line reducing and oxidizing battery, the presence of a relatively low cost vanadium electrolyte solution is an important factor in evaluating the profitability of a vanadium reducing and oxidizing battery compared to other energy storage systems.

Для выполнения этих требований в первую очередь необходимо использовать относительно недорогую твердую пятиокись ванадия в качестве сырья.To fulfill these requirements, it is first necessary to use a relatively inexpensive solid vanadium pentoxide as a raw material.

Цель и сущность изобретенияThe purpose and essence of the invention

Выявлен очень простой и недорогой способ легкого растворения и восстановления пятиокиси ванадия в кислом электролите.A very simple and inexpensive method was found for easily dissolving and reducing vanadium pentoxide in an acidic electrolyte.

Данное изобретение особо целесообразно для приготовления ванадиевого электролита из сырья в виде пятиокиси ванадия (или ванадата аммония), и его осуществляют путем использования очень простых и недорогих электролизеров при сведении к минимуму вспомогательной обработки раствора.This invention is particularly suitable for the preparation of a vanadium electrolyte from a raw material in the form of vanadium pentoxide (or ammonium vanadate), and it is carried out by using very simple and inexpensive electrolyzers while minimizing the auxiliary processing of the solution.

Тем не менее, способ согласно данному изобретению все же является довольно эффективным с точки зрения энергопотребления.However, the method according to this invention is still quite efficient in terms of energy consumption.

Способ согласно данному изобретению является по своей сути непрерывным, и согласно ему в определенный объем циркулирующего ванадиевого раствора электролита непрерывно вводят твердую пятиокись ванадия (V2O5) в тонкоизмельченном или порошковом виде, кислоту и воду для поддержания определенной молярности раствора; при этом непрерывно отводят эквивалентный объем раствора электролита, содержащий V+3 и V+4 в по существу аналогичной или иной нужной концентрации.The method according to this invention is essentially continuous, and according to it, solid vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is continuously added in a finely divided or powdered form, acid and water into a certain volume of the circulating vanadium electrolyte solution to maintain a certain molarity of the solution; in this case, an equivalent volume of an electrolyte solution containing V +3 and V +4 in substantially the same or other desired concentration is continuously withdrawn.

Отводимый поток раствора электролита является показателем производительности способа.The discharge flow of the electrolyte solution is an indicator of the performance of the method.

В основном способ данного изобретения заключается в том, что:Basically, the method of the present invention is that:

- пропускают раствор электролита в контакте с катодами множества находящихся в гидравлическом каскаде электролизеров с тем, чтобы последовательно восстановить часть или весь V+4, содержащийся в растворе, поступающем в первый электролизер, до V+3, а иногда в небольшом количестве даже до V+2, в раствор электролита на выходе раствора электролита из последнего электролизера множества электролизеров в каскаде;- an electrolyte solution is passed in contact with the cathodes of a plurality of electrolysers in the hydraulic cascade in order to sequentially restore part or all of V +4 contained in the solution entering the first electrolyzer to V +3 , and sometimes in small quantities even to V + 2 , into the electrolyte solution at the outlet of the electrolyte solution from the last cell of the plurality of cells in the cascade;

- осуществляют реагирование восстановленного таким образом ванадия, содержащегося в растворе электролита на выходе из последнего электролизера, со стехиометрическим количеством пятиокиси ванадия (V2O5) в емкости растворения, снабженной средством перемешивания, получая при этом раствор электролита, содержащий соответствующее количество растворенного ванадия, который может практически полностью находиться в состоянии V+4;- reacting thus restored vanadium contained in the electrolyte solution at the outlet of the last cell with a stoichiometric amount of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) in a dissolution vessel equipped with a stirring means, thereby obtaining an electrolyte solution containing an appropriate amount of dissolved vanadium, which can be almost completely in a state of V +4 ;

- вводят кислоту – серную или иную другую эквивалентную кислоту и воду в ванадиевый раствор электролита (напр., близко к V+4), чтобы поддерживать его определенную молярность;- introduce acid - sulfuric or other equivalent acid and water into a vanadium electrolyte solution (eg, close to V +4 ) to maintain its specific molarity;

- осуществляют рециркуляцию раствора электролита через каскад электролизеров, при этом отводя поток раствора электролита, содержащего V+3 и V+4, предпочтительно в аналогичных концентрациях, на выходе одного электролизера из множества электролизеров в каскаде.- carry out the recirculation of the electrolyte solution through the cascade of electrolysis cells, while diverting the flow of the electrolyte solution containing V +3 and V +4 , preferably in similar concentrations, at the outlet of one cell from the plurality of cells in the cascade.

Существенная особенность электролизеров заключается в том, что их катод и анод имеют соответствующие поверхностные морфологии, геометрию и взаимное расположение для установления на анодной поверхности плотности тока, от 5 до 20 раз превышающей плотность тока на катодной поверхности; и на анодной поверхности выделяется кислород.An essential feature of electrolyzers is that their cathode and anode have appropriate surface morphologies, geometry, and relative positions to establish a current density on the anode surface that is 5 to 20 times higher than the current density on the cathode surface; and oxygen is released on the anode surface.

На практике катод может быть углеродным войлоком или активированным углеродным войлоком, или аналогичным материалом, обеспечивающим относительно большую площадь поверхности, и может иметь трубчатую или даже желобообразную форму, а анод может быть выполнен в виде тонкого стержня, установленного вдоль геометрической оси трубчатого или желобообразного катода.In practice, the cathode may be carbon felt or activated carbon felt, or a similar material providing a relatively large surface area, and may have a tubular or even grooved shape, and the anode may be a thin rod mounted along the geometric axis of the tubular or grooved cathode.

Сравнительно большая удельная активная площадь катода по сравнению с удельной активной площадью анода, и их отношение проецируемой площади таковы, что определяют плотность тока на активной анодной поверхности, от 5 до 20 раз более высокую, чем плотность тока на геометрически проецированной катодной поверхности.The relatively large specific active area of the cathode compared to the specific active area of the anode, and their ratio of the projected area are such that they determine the current density on the active anode surface, 5 to 20 times higher than the current density on the geometrically projected cathode surface.

При работе с плотностью катодного тока порядка от одного нескольких сотен А/м2 проецируемой площади и путем подбора диаметра анодного стержня, “концентрически” расположенного относительно трубчатого или эквивалентного по меньшей мере частично охватывающего катода, можно создать плотность анодного тока свыше 1000 А/м2 или намного выше.When working with a cathode current density of the order of one several hundred A / m 2 of the projected area and by selecting the diameter of the anode rod “concentrically” located relative to the tubular or equivalent at least partially covering the cathode, it is possible to create an anode current density in excess of 1000 A / m 2 or much higher.

В этих условиях значительно непропорциональных значений плотностей тока и относительно высокой плотности анодного тока, когда при этом подаваемый на электролизеры ток регулируют для обеспечения того, чтобы катодное восстановление V+4 до V+3 оставалось почти полностью единственной катодной полуэлементной реакцией (т.е. ограничивая максимальную плотность тока, чтобы исключить такие побочные реакции, как выделение водорода), анодная полуэлементная реакция начинает в первую очередь обеспечиваться реакцией выделения кислорода (электролиз воды).Under these conditions, significantly disproportionate values of current densities and a relatively high density of the anode current, when the current supplied to the electrolytic cells are regulated to ensure that the cathodic reduction of V +4 to V +3 remains almost completely the only cathodic semi-element reaction (i.e., limiting the maximum current density, in order to eliminate such adverse reactions as hydrogen evolution), the anode half-element reaction begins to be provided primarily by the oxygen evolution reaction (electrolysis water).

В действительности, термодинамически привилегированная анодная полуэлементная реакция окисления V+3 до V+4 практически и эффективно сдерживается по существу недостаточной скоростью миграции и, в конечном счете, диффузии ионов V+3 из основного объема электролита, заполняющего зазор между анодным и катодным пространствами, к анодной поверхности электролизера.In fact, the thermodynamically privileged anode half-element reaction of the oxidation of V +3 to V +4 is practically and effectively restrained by the essentially insufficient rate of migration and, ultimately, diffusion of V +3 ions from the bulk of the electrolyte, filling the gap between the anode and cathode spaces, to the anode surface of the cell.

Еще одно существенное препятствие миграции и/или диффузии ионов ванадия к анодной поверхности заключается в присутствии пузырьков газообразного кислорода, которые интенсивно выделяются на анодной поверхности при таких относительно высоких плотностях тока.Another significant obstacle to the migration and / or diffusion of vanadium ions to the anode surface is the presence of gaseous oxygen bubbles, which are intensively released on the anode surface at such relatively high current densities.

Ток, пропускаемый последовательно через совокупность находящихся в гидравлическом каскаде электролизеров, можно отрегулировать в зависимости от скорости потока электролита через каскад электролизеров, чтобы получить практически полное восстановление всего V+4 до V+3 в электролите, выходящем из последнего электролизера в каскаде.The current passed sequentially through the set of electrolysers in the hydraulic cascade can be adjusted depending on the flow rate of the electrolyte through the cascade of electrolysis cells to obtain almost complete restoration of all V +4 to V +3 in the electrolyte leaving the last electrolyzer in the cascade.

Разумеется, это является идеальным условием, так как минимальное (остаточное) количество V+4 может присутствовать в случае недостатка тока, пропускаемого через электролизеры, или, наоборот, в случае избыточного тока может происходить зачаточное восстановление V+3 до V+2, в результате чего в электролите, выходящем из последнего электролизера, может присутствовать незначительное количество V+2 вместе с V+3.Of course, this is an ideal condition, since a minimum (residual) amount of V +4 may be present in case of a lack of current flowing through the electrolysis cells, or, conversely, in the case of excess current, an embryonic restoration of V +3 to V +2 can occur, as a result which, in the electrolyte leaving the last cell, a small amount of V +2 may be present together with V +3 .

Анод имеет электрокаталитическую поверхность низкого перенапряжения кислорода, чтобы содействовать выделению кислорода, и, что наиболее важно, он обладает стойкостью к кислому электролиту в условиях анодной поляризации и выделения кислорода.The anode has an electrocatalytic surface with low oxygen overvoltage to facilitate oxygen evolution, and, most importantly, it is resistant to acidic electrolyte under conditions of anodic polarization and oxygen evolution.

Например, анодом может быть стержень из вентильного металла, стойкого к анодному разрушению, например из титана, тантала или их сплавов, с непассивирующим активным покрытием электрокатализатора выделения кислорода.For example, the anode may be a rod of valve metal resistant to anodic destruction, for example, titanium, tantalum or their alloys, with a non-passivating active coating of the oxygen evolution electrocatalyst.

Покрытие может быть смешанным оксидом или смесью оксидов, состоящей по меньшей мере из такого благородного металла, как иридий, родий или рутений, и по меньшей мере из вентильного металла, такого как титан, тантал и цирконий. Активное покрытие также может состоять из покрытия благородным металлом, таким как платина, иридий или родий, или из тех же металлов, диспергированных в электропроводной оксидной матрице.The coating may be a mixed oxide or a mixture of oxides consisting of at least a noble metal such as iridium, rhodium or ruthenium, and at least a valve metal such as titanium, tantalum and zirconium. The active coating may also consist of a coating with a noble metal such as platinum, iridium or rhodium, or the same metals dispersed in an electrically conductive oxide matrix.

В емкости растворения, снабженной обычным механическим перемешивающим средством, раствор электролита, выходящий из последнего электролизера, контактирует со стехиометрическим количеством (указывается как количество V+3(V+2), содержащееся в восстановленном растворе электролита) твердой пятиокиси ванадия в тонкоизмельченной (порошковой) форме, приготовленной размалыванием и/или просеиванием твердой пятиокиси ванадия так, чтобы ввести частицы с максимальным размером не более 100 мкм.In a dissolution vessel equipped with a conventional mechanical stirrer, the electrolyte solution exiting the last electrolyzer is contacted with a stoichiometric amount (indicated as the amount of V +3 (V +2 ) contained in the reduced electrolyte solution) of solid vanadium pentoxide in finely divided (powder) form prepared by grinding and / or sieving solid vanadium pentoxide so as to introduce particles with a maximum size of not more than 100 μm.

Слитый (декантированный) или отфильтрованный раствор извлекают в резервуар, а нерастворенные частицы пятиокиси ванадия можно вновь направить в емкость растворения.The drained (decanted) or filtered solution is removed into the tank, and undissolved particles of vanadium pentoxide can be sent back to the dissolution tank.

Обогащенный таким образом раствор содержит ванадий по существу в состоянии V+4, хотя относительно очень небольшое количество растворенного ванадия может присутствовать в виде V+5.The solution enriched in this way contains vanadium in a substantially V +4 state , although a relatively very small amount of dissolved vanadium may be present as V +5 .

Кислоту, которая наиболее часто и предпочтительно является серной кислотой, и воду вводят в обогащенный ванадием и фильтрованный раствор электролита, чтобы поддерживать определенную молярность раствора электролита. Разумеется, чем выше будет молярное содержание ванадия, тем выше будет отношение энергии к общему объему электролита, но проблемы стабильности раствора в условиях критической температуры могут возникать и при относительно высоких молярных концентрациях. Наиболее предпочтительно, в случае раствора серной кислоты, чтобы молярное содержание ванадия было в пределах от 1 до 5, а еще более предпочтительно - 2 до 5 молей (молей/литр).An acid, which is most often and preferably sulfuric acid, and water are introduced into the vanadium-rich and filtered electrolyte solution to maintain a certain molarity of the electrolyte solution. Of course, the higher the molar content of vanadium, the higher the ratio of energy to the total volume of the electrolyte, but problems of solution stability at critical temperatures can also occur at relatively high molar concentrations. Most preferably, in the case of a sulfuric acid solution, the molar content of vanadium is in the range of 1 to 5, and even more preferably 2 to 5 moles (moles / liter).

Раствор закачивают обратно во вход первого электролизера каскада электролизеров, чтобы осуществить электрохимическое восстановление V+4 (или какого-либо остаточного V+5) до V+3 и иногда до V+2.The solution is pumped back into the inlet of the first electrolyzer of the cascade of electrolyzers in order to carry out the electrochemical reduction of V +4 (or some residual V +5 ) to V +3 and sometimes to V +2 .

Продуктом такой установки для производства электролита является раствор, содержащий почти одно и то же количество V+3 и V+4, который отводится из основного потока рециркулирующего раствора на выходе одного из электролизеров каскада электролизеров.The product of such an installation for the production of electrolyte is a solution containing almost the same amount of V +3 and V +4 , which is discharged from the main stream of the recycle solution at the outlet of one of the electrolyzers of the cascade of electrolyzers.

Непропорционально большая плотность тока на анодной поверхности, вызывающая значительное выделение кислорода и соответственно незначительное окисление V+3 до V+4, является условием, которое очень эффективно для обеспечения общего кпд способа на более чем приемлемых уровнях, при этом принимая во внимание относительно незначительную долю, которую стоимость электроэнергии занимает в общих экономических показателях любого способа приготовления ванадиевого кислого электролита.A disproportionately high current density on the anode surface, causing significant oxygen evolution and, accordingly, insignificant oxidation of V +3 to V +4 , is a condition that is very effective for ensuring the overall efficiency of the method at more than acceptable levels, while taking into account a relatively small fraction, which the cost of electricity takes in the general economic indicators of any method of preparing a vanadium acidic electrolyte.

Эффективность можно даже повысить, как в альтернативном варианте осуществления, за счет применения экранирующей сетки или даже микропористого разделителя между стержневым анодом и окружающим цилиндрическим катодом.Efficiency can even be improved, as in an alternative embodiment, by using a shielding mesh or even a microporous separator between the rod anode and the surrounding cylindrical cathode.

Экранирующая сетка или микропористый разделитель дают эффективное “удержание” кислородных пузырьков, поднимающихся за счет плавучести в электролите по мере того, как они постоянно растут и отрываются от анодной поверхности, таким образом сводя к минимуму конвективные движения в основном объеме электролита, содержащемся в пространстве между экранирующей сеткой и катодом, и также понижая способность восстановленных ионов (V+3) ванадия к миграции и, в конечном счете, к достижению анода.A screening mesh or microporous separator provides effective “retention” of oxygen bubbles rising due to buoyancy in the electrolyte as they constantly grow and come off the anode surface, thereby minimizing convective movements in the main volume of electrolyte contained in the space between the screening grid and cathode, and also lowering the ability of the reduced ions (V +3 ) vanadium to migrate and, ultimately, to reach the anode.

Наиболее эффективным микропористым разделителем может быть стеклянная фриттованная трубка, закрытая на ее нижнем конце и охватывающая стержневой анод (в этом случае - входящая в электролизер сверху), в результате чего пузырьки кислорода, отделившись от поверхности электролита, могут выходить из электролизера через выпускное отверстие. Либо соответствующим микропористым разделителем может быть войлок из полипропиленовых волокон толщиной около 1 мм.The most effective microporous separator can be a glass frit tube, closed at its lower end and covering the rod anode (in this case, entering the cell from above), as a result of which oxygen bubbles, separated from the surface of the electrolyte, can escape from the cell through the outlet. Or, a suitable microporous separator can be felt made of polypropylene fibers with a thickness of about 1 mm.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 иллюстрирует установку для приготовления ванадиевого раствора электролита из твердой исходной V2O5 согласно данному изобретению.Figure 1 illustrates the installation for the preparation of a vanadium electrolyte solution from a solid source of V 2 O 5 according to this invention.

Фиг.2 – сечение электролизера для восстановления ванадия согласно данному изобретению.Figure 2 - cross section of the electrolytic cell for the restoration of vanadium according to this invention.

Фиг.3 – сечение альтернативного варианта осуществления электролизера для восстановления ванадия.Figure 3 is a cross section of an alternative embodiment of an electrolytic cell for vanadium reduction.

Фиг.4 – принципиальная схема системы полностью ванадиевой поточной восстановительно-окислительной батареи, содержащей электролизер для восстановления ванадия согласно данному изобретению в контуре положительного электролита для осуществления ребалансировки.Figure 4 is a schematic diagram of a system of a fully vanadium in-line reducing and oxidizing battery containing an electrolytic cell for reducing vanadium according to this invention in a positive electrolyte circuit for rebalancing.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention

Обращаясь к функциональной схеме на Фиг.1, установка для приготовления ванадиевого электролита согласно данному изобретению состоит из совокупности электролизеров С1, С2, С3, ... С6 восстановления ванадия, гидравлически соединенных в каскад и запитываемых последовательно соответствующим источником R1 постоянного тока.Turning to the functional diagram in FIG. 1, the apparatus for preparing a vanadium electrolyte according to this invention consists of a plurality of vanadium recovery electrolyzers C1, C2, C3, ... C6 hydraulically connected to the cascade and fed in series with the corresponding DC source R1.

Раствор, выйдя из последнего электролизера С6 каскада, собирается в емкости Т1 растворения, имеющей средство S1 перемешивания.The solution, leaving the last electrolyzer C6 of the cascade, is collected in a dissolution vessel T1 having a stirring means S1.

Пятиокись ванадия (V2O5) вводят в емкость Т1 растворения в соответствующем количестве с помощью, например, обычного сырьевого бункера и двигателя, приводимого в действие управляемым подающим механизмом.Vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is introduced into the dissolution container T1 in an appropriate amount using, for example, a conventional feed hopper and an engine driven by a controlled feed mechanism.

Обогащенный ванадием раствор, содержащий остаточные твердые частицы нерастворенной пятиокиси ванадия, вытекает из емкости Т1 растворения через выпускное отверстие и сливается в отстойник Т2.A vanadium-enriched solution containing residual solid particles of undissolved vanadium pentoxide flows out of the dissolution vessel T1 through an outlet and is discharged into a settling tank T2.

Насос Р2 подает обратно в емкость Т1 растворения отделенные остаточные твердые частицы пятиокиси ванадия, которая затем собирается на дне отстойника Т2.Pump P2 feeds separated residual solids of vanadium pentoxide, which is then collected at the bottom of sedimentation tank T2, back into the dissolution tank T1.

Обогащенный ванадием и фильтрованный раствор в конечном счете собирается в резервуаре Т3.Enriched with vanadium and filtered solution is ultimately collected in a T3 tank.

Ванадий, содержащийся в обогащенном растворе, который собирается в емкости Т3, будет представлять собой ванадий в состоянии V+4. Содержание его соответствует сумме количеств V+3, а иногда и V+2, присутствующих в электрохимически восстановленном растворе, вытекающем из последнего электролизера восстановления (С6) каскада, и эквивалентно восстановленному количеству растворенного и восстановленного V+5. Остаточное непрореагировавшее количество V+5 также может присутствовать вместе с V+4 в обогащенном таким образом растворе, собирающемся в Т3.Vanadium contained in the enriched solution, which is collected in a T3 tank, will be vanadium in the V +4 state . Its content corresponds to the sum of the amounts of V +3 , and sometimes V +2 , present in the electrochemically reduced solution resulting from the last recovery cell (C6) of the cascade, and is equivalent to the reduced amount of dissolved and reduced V +5 . A residual unreacted amount of V +5 may also be present together with V +4 in the thus enriched solution collected in T3.

Раствор постоянно циркулирует с помощью насоса Р1 через каскад электролизеров восстановления ванадия после введения кислоты, обычно H2SO4, и воды в относительных количествах, соответствующих обеспечению нужной молярности ванадиевого раствора электролита.The solution is constantly circulated by pump P1 through a cascade of electrolysis cells for vanadium recovery after the introduction of an acid, usually H 2 SO 4 , and water in relative amounts corresponding to the desired molarity of the vanadium electrolyte solution.

Поэтому ванадиевый раствор электролита, поступающий в первый электролизер С1 восстановления, будет по существу содержать V+4 и возможно остаточное количество V+5.Therefore, the vanadium electrolyte solution entering the first reduction electrolyzer C1 will essentially contain V +4 and possibly a residual amount of V +5 .

На отрицательных электродах (катодах) электролизеров С1, С2, С3,..., С6 восстановления идет следующая основная реакция:At the negative electrodes (cathodes) of the electrolysers C1, C2, C3, ..., C6, the following main reaction occurs:

V+4-==V+3, (или точнее VО+2-+2Н+==V+32О)V +4 + e - == V +3 , (or rather VO +2 + e - + 2H + == V +3 + H 2 O)

и еще одна реакция, если присутствует ванадий в степени окисления +5:and one more reaction if vanadium is present in the oxidation state +5:

V+5-==V+4 (или точнее VО + 2 -+2Н+==VО+22О).V +5 + e - == V +4 (or rather VO + 2 + e - + 2H + == VO +2 + H 2 O).

На отрицательном электроде никакие другие реакции не происходят. Выделение водорода (термодинамически благоприятная полуэлементная реакция) не происходит, поскольку электрод из углеродного войлока имеет относительно высокое перенапряжение водорода, и эффективная плотность тока на поверхности катода поддерживается на достаточно низком уровне.At the negative electrode, no other reactions occur. Hydrogen evolution (a thermodynamically favorable semi-element reaction) does not occur, since the carbon felt electrode has a relatively high hydrogen overvoltage, and the effective current density on the cathode surface is kept at a sufficiently low level.

На положительном электроде основная реакция теоретически должна быть окислением любого присутствующего иона ванадия с пониженной степенью окисления (+4, +3 и +2) до пятивалентного ванадия (V+5) (термодинамически благоприятная полуэлементная реакция).At the positive electrode, the main reaction theoretically should be the oxidation of any vanadium ion present with a reduced oxidation state (+4, +3 and +2) to pentavalent vanadium (V +5 ) (thermodynamically favorable semi-element reaction).

Разумеется, ионы ванадия, находящиеся ближе к анодной поверхности, будут окисляться непосредственно до V+5, а также любой ион ванадия в низкой степени окисления, который будет мигрировать на анод и диффундировать к аноду. Но по мере того, как ионы ванадия вблизи положительного электрода превращаются в V+5 (поглощаются), анодная полуэлементная реакция будет все в большей степени поддерживаться единственной другой возможной полуэлементной реакцией, т.е. образованием и последующим выделением газообразного кислорода в соответствии со следующей реакцией:Of course, vanadium ions located closer to the anode surface will oxidize directly to V +5 , as well as any vanadium ion in a low oxidation state that will migrate to the anode and diffuse to the anode. But as vanadium ions near the positive electrode turn into V +5 (are absorbed), the anode half-element reaction will be increasingly supported by the only other possible half-element reaction, i.e. the formation and subsequent evolution of gaseous oxygen in accordance with the following reaction:

Н2О==О2+2Н++2е- Н 2 О == О 2 + 2Н + + 2е -

В асимметричном электролизере согласно данному изобретению окисление ванадия практически не исключено, как и в системах известного уровня техники, использующих ионообменный мембранный электролизер и отдельные контуры содержащего ванадий каталита и вспомогательного кислого анолита. На практике любой ион ванадия, способный достичь поверхности анода электролизера, будет легко окислен до V+5.In the asymmetric electrolyzer according to this invention, the oxidation of vanadium is practically impossible, as in systems of the prior art using an ion-exchange membrane electrolyzer and individual circuits containing vanadium-containing catalite and an auxiliary acid anolyte. In practice, any vanadium ion capable of reaching the surface of the anode of the electrolyzer will be easily oxidized to V +5 .

Но особая диспропорция, которая создается в плотностях электродного тока, заставляет анод работать в относительно очень высоких плотностях тока, которые на порядки величины выше, чем те, которые могут обеспечиваться процессами миграции и диффузии ионов ванадия в растворе электролита к и на поверхности анода. Это способствует значительному выделению кислорода на анодной поверхности, а наличие интенсивного выделения пузырьков газообразного кислорода создает “механический” барьер для миграции ионов V+3 к аноду.But the special imbalance that is created in the electrode current densities makes the anode work at relatively very high current densities, which are orders of magnitude higher than those that can be provided by the migration and diffusion of vanadium ions in the electrolyte solution k and on the surface of the anode. This contributes to a significant release of oxygen on the anode surface, and the presence of intense release of gaseous oxygen bubbles creates a “mechanical” barrier for the migration of V +3 ions to the anode.

Эту помеху для диффузии катодно-восстановленных ионов ванадия в анод можно в значительной степени усилить за счет использования экранирующей сетки или проницаемой (микропористой) диафрагмы для удержания образовавшихся пузырьков кислорода вблизи анода и, таким образом, для исключения наведения сильных конвективных движений в основном объеме электролита, находящегося в пространстве между удерживающей газ экранирующей сеткой и катодной поверхностью, и обогащенного восстановленными ионами ванадия.This obstacle for the diffusion of cathode-reduced vanadium ions into the anode can be significantly enhanced by using a screening mesh or a permeable (microporous) diaphragm to hold the oxygen bubbles formed near the anode and, thus, to exclude the induction of strong convective motions in the main electrolyte volume, located in the space between the gas-retaining screening grid and the cathode surface, and enriched with reduced vanadium ions.

Применение анода с низким перенапряжением кислорода просто повышает выделение кислорода.The use of an anode with a low oxygen overvoltage simply increases oxygen evolution.

Общий фарадеевский выход по току значительно повышается при использовании относительно плотного микропористого разделителя вместо более проницаемой экранирующей сетки или диафрагмы, но напряжение электролизера также повышается. Поэтому можно отыскать наиболее оптимальный компромисс с учетом того, что энергопотребление пропорционально произведению тока и напряжения.The total Faraday current efficiency is significantly increased when using a relatively dense microporous separator instead of a more permeable shielding grid or diaphragm, but the cell voltage also increases. Therefore, it is possible to find the most optimal compromise, taking into account the fact that energy consumption is proportional to the product of current and voltage.

Обнаружено, что фарадеевский выход по току выше 40% можно легко обеспечить при отношении плотности катодного/анодного тока, равном около 5; и при повышении этого отношения свыше 20 кпд может достигнуть 80% и выше. Значительное повышение этих показателей можно обеспечить за счет использования отделяющей газ экранирующей сетки и, в еще большей степени, с помощью относительно плотного микропористого разделителя.It was found that the Faraday current efficiency above 40% can be easily achieved with a ratio of the cathode / anode current density of about 5; and with the increase of this ratio over 20, the efficiency can reach 80% and higher. A significant increase in these indicators can be achieved through the use of a gas-separating screening grid and, to an even greater extent, using a relatively dense microporous separator.

В емкости Т1 растворения V+3, содержащийся в растворе электролита с электролитически восстановленным ванадием, реагирует с твердой пятиокисью ванадия V2О5 (или с ванадатом аммония), чтобы растворять ее и восстанавливать до V+4 согласно следующим реакциям:In dissolution vessel T1, V +3 contained in an electrolyte solution with electrolytically reduced vanadium reacts with solid vanadium pentoxide V 2 O 5 (or with ammonium vanadate) to dissolve it and recover to V + 4 according to the following reactions:

(V+5+V+3==2V+4) или точнее:(V +5 + V +3 == 2V +4 ) or more precisely:

Figure 00000002
Figure 00000002

и (если V+2 также присутствует)and (if V +2 is also present)

(2V+5+V+2===3V+4), или точнее:(2V +5 + V +2 === 3V +4 ), or more precisely:

V2O5+V+2+4Н+==3VO+2+2Н2ОV 2 O 5 + V +2 + 4H + == 3VO +2 + 2H 2 O

Сечение асимметричного электролизера согласно данному изобретению, используемого в установке для приготовления ванадиевого электролита согласно данному изобретению, представлено на Фиг.2.The cross-section of an asymmetric electrolyzer according to this invention used in a plant for preparing a vanadium electrolyte according to this invention is shown in FIG. 2.

Лабораторный испытательный электролизер, изображаемый на Фиг.2, состоит из цилиндрического трубчатого корпуса 1, обычно выполненного из металла, химически стойкого к воздействию электролита, из непроводящего кислотостойкого пластика, такого как ПВХ, закрытого на нижнем конце заглушкой 2 и имеющего входное отверстие 3 в нижней части трубчатого корпуса 1 и верхнее переливное отверстие 4.The laboratory test cell depicted in FIG. 2 consists of a cylindrical tubular body 1, typically made of a metal chemically resistant to electrolyte, of a non-conductive acid-resistant plastic, such as PVC, closed at the lower end with a plug 2 and having an inlet 3 in the lower parts of the tubular body 1 and the upper overflow hole 4.

Цилиндрический катод, который может состоять из углеродного войлока 5 толщиной в несколько миллиметров, может быть установлен на внутренней цилиндрической поверхности трубки 1 и соответствующим образом крепиться к ней. Катод из углеродного войлока может иметь соответствующий вывод 6 для электрического соединения электролизера с цепью питания постоянного тока.A cylindrical cathode, which may consist of carbon felt 5 with a thickness of several millimeters, can be mounted on the inner cylindrical surface of the tube 1 and attached to it accordingly. The carbon felt cathode may have a corresponding terminal 6 for electrically connecting the electrolyzer to the DC power circuit.

В лабораторном испытательном электролизере, изображаемом на Фиг.2, поверхность внутренней цилиндрической поверхности катода имеет диаметр около 50 мм и высоту в контакте с раствором электролита около 250 мм.In the laboratory test cell depicted in FIG. 2, the surface of the inner cylindrical surface of the cathode has a diameter of about 50 mm and a height in contact with the electrolyte solution of about 250 mm.

Анод 7 является титановым стержнем с диаметром 6,3 мм, покрытым смешанным оксидом иридия и тантала, и длина его погружения в электролит составляет приблизительно 250 мм.Anode 7 is a titanium rod with a diameter of 6.3 mm, coated with a mixed oxide of iridium and tantalum, and its immersion length in the electrolyte is approximately 250 mm.

Анод 7, который представляет собой титановый стержень с покрытием, установлен вдоль оси цилиндрического катода из углеродного войлока.Anode 7, which is a coated titanium rod, is mounted along the axis of a cylindrical carbon felt cathode.

В указанном лабораторном испытательном электролизере проецируемая площадь катода из углеродного войлока приблизительно составляет 353 см2, и поверхность анода, являющегося титановым стержнем, составляет около 47 см2.In the indicated laboratory test cell, the projected area of the carbon felt cathode is approximately 353 cm 2 and the surface of the anode, which is a titanium rod, is about 47 cm 2 .

При подаче электрического тока силой 7А через электролизеры плотность тока на поверхности титанового анода приблизительно составляет 0,1485 А/см2=1500 А/м2; плотность тока на проецируемой площади углеродного войлока составляет 0,022 А/см2=220 А/см2. Но за счет открытой и легко проницаемой морфологии катода в виде войлока из углеродных волокон действительная или эффективная плотность тока катода на углероде может, по оценкам, быть от двух до десяти раз меньше плотности тока, вычисленной на геометрически проецируемой цилиндрической площади катода, являющегося углеродным войлоком.When applying an electric current of 7A through the electrolysers, the current density on the surface of the titanium anode is approximately 0.1485 A / cm 2 = 1500 A / m 2 ; the current density on the projected area of the carbon felt is 0.022 A / cm 2 = 220 A / cm 2 . But due to the open and easily permeable morphology of the cathode in the form of carbon fiber felt, the actual or effective current density of the cathode on carbon can be estimated to be two to ten times lower than the current density calculated on the geometrically projected cylindrical area of the cathode, which is carbon felt.

На Фиг.3 изображено сечение электролизера восстановления ванадия согласно альтернативному варианту осуществления данного изобретения.FIG. 3 is a sectional view of a vanadium reduction electrolyzer according to an alternative embodiment of the present invention.

Единственное отличие представлено наличием проницаемой для текучей среды экранирующей сетки или диафрагмы, или микропористого разделителя 8, установленного между цилиндрической поверхностью катода и коаксиально расположенным стержневым анодом, определяя цилиндрическое пространство вокруг стержневого анода 7, в котором по существу удерживаются всплывающие пузырьки кислорода, возникающие на анодной поверхности и отделяющиеся от нее в окружающий электролит.The only difference is the presence of a fluid permeable shielding grid or diaphragm, or microporous separator 8, mounted between the cylindrical surface of the cathode and the coaxially spaced rod anode, defining a cylindrical space around the rod anode 7, in which pop-up oxygen bubbles generated on the anode surface are essentially held and separated from it into the surrounding electrolyte.

Экран-диафрагма 8 по существу исключает наведение сильных конвективных движений в основном объеме электролита вблизи катодной поверхности, на которой происходит нужное восстановление V+4 до V+3, и затем до V+2.The diaphragm screen 8 essentially eliminates the induction of strong convective motions in the main volume of the electrolyte near the cathode surface, on which the necessary restoration of V +4 to V +3 and then to V +2 takes place.

Пластиковая трубка с небольшими плотно и единообразно распределенными отверстиями может служить в качестве удовлетворительной экранирующей сетки удержания газовых пузырьков, но экранирующая сетка 8 удержания пузырьков газообразного кислорода может быть либо мелкоячеистой сеткой из такого стойкого материала, как, например, сетка из титановой проволоки, или из тканого материала из пластмассового волокна. Более предпочтительно, экранирующая сетка 8 удержания газа может быть пористой или микропористой трубкой, например из фриттованного стекла, или из частиц такого стойкого металла, как агломерированный титан.A plastic tube with small densely and uniformly distributed openings can serve as a satisfactory shielding mesh for holding gas bubbles, but the shielding mesh 8 for holding gaseous oxygen bubbles can be either a fine mesh mesh made of a resistant material such as, for example, a mesh made of titanium wire or woven plastic fiber material. More preferably, the gas retention screen 8 may be a porous or microporous tube, for example of fritted glass, or of particles of a resistant metal such as agglomerated titanium.

ПРИМЕРEXAMPLE

Стеклянный химический стакан вместимостью 1/2 литра с внутренним диаметром 8 мм был использован для проверки действенности методики согласно данному изобретению.A glass beaker with a capacity of 1/2 liter with an inner diameter of 8 mm was used to verify the effectiveness of the methodology according to this invention.

Углеродный войлок толщиной около 6 мм был помещен вокруг внутренней стенки химического стакана и электрически соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока.Carbon felt about 6 mm thick was placed around the inner wall of the beaker and was electrically connected to the negative pole of the DC power source.

Титановый стержень с покрытием из смешанного оксида IrOx-ZrOy с наружным диаметром около 6 мм был установлен вертикально вдоль геометрической оси стакана и электрически соединен с положительным полюсом источника питания постоянного тока.A titanium rod coated with a mixed oxide IrO x -ZrO y with an outer diameter of about 6 mm was mounted vertically along the geometrical axis of the cup and was electrically connected to the positive pole of the DC power source.

Отношение проецируемой катодной площади и анодной площади составляло около 10,7.The ratio of the projected cathode area to the anode area was about 10.7.

Полипропиленовое полотно толщиной около 1 мм было выполнено в виде круглой трубки, закрытой снизу, с внутренним диаметром около 12 мм и помещено в химический стакан концентрически вокруг имеющего покрытие анода в виде титанового стержня.A polypropylene sheet with a thickness of about 1 mm was made in the form of a round tube, closed from the bottom, with an inner diameter of about 12 mm and placed in a beaker concentrically around the coated anode in the form of a titanium rod.

Стакан был наполнен 473 мл раствора 5-молярной серной кислоты и 90,9 г (0,5 моля) порошка пятиокиси ванадия. Общий объем смеси составлял 0,5 л.The glass was filled with 473 ml of a solution of 5 molar sulfuric acid and 90.9 g (0.5 mol) of vanadium pentoxide powder. The total volume of the mixture was 0.5 L.

Теоретически для восстановления 1 моля ванадия из степени окисления +5 до степени окисления +4 требуется 26,8 А/ч.Theoretically, 26.8 A / h are required to recover 1 mole of vanadium from the oxidation state +5 to the oxidation state +4.

Смесь перемешивали электромагнитной мешалкой, и желтый порошок пятиокиси ванадия оставался по существу нерастворимым в течение нескольких дней.The mixture was stirred with an electromagnetic stirrer, and the yellow vanadium pentoxide powder remained essentially insoluble for several days.

После подачи питания постоянного тока и регулирования его выходного напряжения постоянный ток силой 8 А пропускали через электролизер. Плотность тока положительного электрода (анода) приблизительно составляла 5,013 А/м2, и плотность тока отрицательного электрода (катода) на проецируемой площади углеродного войлока составляла приблизительно 468 А/м2.After applying DC power and adjusting its output voltage, a direct current of 8 A was passed through the cell. The current density of the positive electrode (anode) was approximately 5.013 A / m 2 , and the current density of the negative electrode (cathode) on the projected area of the carbon felt was approximately 468 A / m 2 .

Напряжение электролизера оставалось практически постоянным в значении около 3,8–4,0 В.The cell voltage remained almost constant in the value of about 3.8-4.0 V.

Взвесь неинтенсивно перемешивали магнитной мешалкой, и после прохождения тока в течение 5,26 часов желтый порошок, по-видимому, полностью растворился.The suspension was stirred vigorously with a magnetic stirrer, and after passing the current for 5.26 hours, the yellow powder seemed to completely dissolve.

Полученный таким образом синий раствор проанализировали и обнаружили, что он содержит 2 моля ванадия (2-молярный раствор), и состояние окисления ванадия было +3,55.The blue solution thus obtained was analyzed and found to contain 2 moles of vanadium (2 molar solution), and the oxidation state of vanadium was +3.55.

Фарадеевский выход по току способа был оценен равным 92,28%.The Faraday current efficiency of the method was estimated to be 92.28%.

Проверку повторили при пониженном токе 5 А, и величина требуемого времени составила 9,87 часов. Фарадеевский выход по току снизился приблизительно до 78,74%, и также напряжение электролизера – приблизительно до 2,8 В.The test was repeated at a reduced current of 5 A, and the required time was 9.87 hours. The Faraday current efficiency decreased to approximately 78.74%, and also the voltage of the cell to approximately 2.8 V.

После замены войлока на тонкий тканый полипропиленовый материал фарадеевский выход по току снижается приблизительно до 47%, и без проницаемого удержания – приблизительно до 20-25%.After replacing the felt with a thin woven polypropylene material, the Faraday current efficiency decreases to about 47%, and without permeable retention, to about 20-25%.

Даже при этих неоптимизированных условиях лабораторного испытания (в стеклянном химическом стакане с перемешиванием) энергопотребление порядка 0,2–0,5 кВт·ч/л полученного ванадиевого электролита дает довольно низкое значение стоимости с точки зрения общих экономических показателей получения ванадиевого электролита.Even under these unoptimized laboratory test conditions (in a glass beaker with stirring), energy consumption of the order of 0.2–0.5 kWh / l of the obtained vanadium electrolyte gives a rather low value in terms of general economic indicators for the production of vanadium electrolyte.

Способность асимметричного электролизера восстановления ванадиевого электролита в соответствии с данным изобретением эффективно и недорого модифицировать степень окисления растворенного ванадиевого содержания кислотного раствора электролита делает относительно простой и недорогой, по существу неразделенный, асимметричный электролизер данного изобретения идеально соответствующим для ребалансировки (восстановления равновесия) состояния заряда положительного и отрицательного электролитов ванадия в действующей батарее (аккумуляторе) без необходимости выполнения дорогостоящей и длительной обработки, в выведенном из работы состоянии, восстановительно-окислительной батарейной установки всякий раз, когда батарея доходит до более недопустимого разбаланса.The ability of an asymmetric electrolysis cell to recover a vanadium electrolyte in accordance with this invention to effectively and inexpensively modify the oxidation state of a dissolved vanadium content of an acid electrolyte solution makes the relatively simple and inexpensive, substantially undivided, asymmetric electrolyzer of the present invention ideally suited for rebalancing (restoring equilibrium) a positive and negative charge electrolytes of vanadium in an active battery (battery nore) without the need for costly and lengthy processing, in a state out of service, of a redox battery installation whenever the battery reaches a more unacceptable imbalance.

Для пояснения характера трудностей, которые могут возникать при работе ванадиевой батареи в системе для хранения энергии, приводится краткое описание основных механизмов, которые обусловливают возникновение все более заметного разбаланса.To explain the nature of the difficulties that may arise during the operation of a vanadium battery in an energy storage system, a brief description of the main mechanisms that give rise to an increasingly noticeable imbalance is provided.

Если теоретически предположить, что единственным процессом, происходящим во время подзарядки и разрядки ванадиевой восстановительно-окислительной батареи, является электрохимическое окисление и восстановление ванадия, и что какие-либо другие побочные реакции не происходят, то процесс подзарядки и разрядки ванадиевой батареи является симметричным процессом.If it is theoretically assumed that the only process occurring during the recharging and discharging of a vanadium reduction-oxidation battery is the electrochemical oxidation and reduction of vanadium, and that any other adverse reactions do not occur, then the process of recharging and discharging a vanadium battery is a symmetrical process.

Во время подзарядки электрический ток, проходящий через батарею, будет окислять V+4 до V+5 в положительных камерах электролита и одновременно и с такой же скоростью будет восстанавливать V+3 до V+2 в отрицательных камерах электролита. Противоположные реакции окисления и восстановления происходят в положительных и отрицательных камерах электролита во время разрядки.During recharging, the electric current passing through the battery will oxidize V +4 to V +5 in the positive electrolyte chambers and at the same time will restore V +3 to V +2 in the negative electrolyte chambers. The opposite oxidation and reduction reactions occur in the positive and negative chambers of the electrolyte during discharge.

В практических условиях ситуация иная.In practical terms, the situation is different.

Электрохимическое окисление и восстановление ванадия являются не единственным происходящим процессом. Есть вероятность того, что в критических условиях работы будут происходить следующие побочные реакции:Electrochemical oxidation and reduction of vanadium is not the only process that occurs. It is likely that under critical conditions the following adverse reactions will occur:

1) электрохимическое выделение газообразного водорода на отрицательном электроде1) electrochemical evolution of hydrogen gas at the negative electrode

2) электрохимическое выделение кислорода на положительном электроде (*)2) electrochemical oxygen evolution at the positive electrode (*)

3) химическое окисление V+2 до V+3 3) chemical oxidation of V +2 to V +3

4) химическое восстановление V+5 до V+4 4) chemical reduction of V +5 to V +4

(*) если положительный электрод выполнен из углерода, то выделение кислорода частично или полностью заменяется выделением двуокиси углерода.(*) if the positive electrode is made of carbon, then the evolution of oxygen is partially or completely replaced by the evolution of carbon dioxide.

Реакции 1) и 2) становятся единственными реакциями по достижении 100-процентного состояния заряда. На практике после окисления всего присутствующего в электролите положительной камеры V+4 до V+5 единственной реакцией на положительном электроде, способной обеспечивать ток, является выделение кислорода (или двуокиси углерода). Аналогично, после восстановления всего присутствующего в электролите положительной камеры V+3 до V+2 единственной реакцией на отрицательном электроде, способной обеспечивать ток, является выделение водорода. Эти реакции начнутся во время подзарядки батареи, хотя и относительно в небольшом объеме, когда состояние заряда превышает 90%.Reactions 1) and 2) become the only reactions upon reaching a 100% state of charge. In practice, after oxidation of the entire positive chamber V +4 present in the electrolyte to V +5, the only reaction on the positive electrode that can provide current is the release of oxygen (or carbon dioxide). Similarly, after the restoration of the entire positive chamber V +3 present in the electrolyte to V +2, the only reaction on the negative electrode that can provide current is the evolution of hydrogen. These reactions will begin during battery recharging, albeit relatively in a small volume, when the state of charge exceeds 90%.

Напряжение, при котором ванадий окисляется или восстанавливается, пропорционально повышается с отношением между получаемым объектом и расходуемым объектом (уравнение Нернста), и поэтому при высоком состоянии заряда напряжение электролизера растет до напряжения выделения водорода и кислорода (электролиз воды), равного приблизительно 1,5 В. Реакции 1) и 2) также будут происходить в относительно небольшом объеме во время разрядки батареи, если разрядка идет в слишком быстром темпе (ток).The voltage at which vanadium is oxidized or reduced proportionally increases with the ratio between the obtained object and the consumable object (Nernst equation), and therefore, when the charge is high, the voltage of the electrolyzer increases to a voltage of hydrogen and oxygen evolution (electrolysis of water) of approximately 1.5 V . Reactions 1) and 2) will also occur in a relatively small volume during battery discharge, if the discharge is too fast (current).

Когда плотность тока достигнет ограничивающего тока, тогда выделение водорода и кислорода начинается как побочная (ненужная) реакция.When the current density reaches the limiting current, then the evolution of hydrogen and oxygen begins as a side (unnecessary) reaction.

Ограничивающим током является электрический ток, при котором скорость окисления или восстановления ванадия на поверхности электрода равна скорости, при которой ионы ванадия диффундируют из основного объема электролита в поверхность электрода через обедненный слой.The limiting current is an electric current at which the rate of vanadium oxidation or reduction on the electrode surface is equal to the speed at which vanadium ions diffuse from the bulk of the electrolyte into the electrode surface through the depletion layer.

Реакция 3), окисление V+2 до V+3, является наиболее повторяющейся побочной реакцией во время работы ванадиевой батареи. V+2 легко окисляется до V+3 в присутствии воздуха. Поэтому, если поступление атмосферного воздуха в контакт с отрицательным электролитом строго не исключено (за счет того, что поверхность электролита будет закрыта слоем газообразного азота или покрыта воском, например), то эта побочная реакция легко произойдет.Reaction 3), the oxidation of V +2 to V +3 , is the most repeated adverse reaction during the operation of the vanadium battery. V +2 is easily oxidized to V +3 in the presence of air. Therefore, if atmospheric air in contact with a negative electrolyte is not strictly excluded (due to the fact that the surface of the electrolyte will be covered with a layer of nitrogen gas or coated with wax, for example), then this side reaction will easily occur.

По причине упомянутых выше побочных реакций, после многих циклов работы батареи, возможно, что симметрия начнет по существу исчезать.Due to the side reactions mentioned above, after many cycles of battery operation, it is possible that the symmetry will begin to essentially disappear.

Еще одна причина, из-за которой электролиты становятся разбалансированными: применяемые мембраны не являются совершенными разделителями. Через анионные мембраны неизбежно проникает небольшая доля положительных ионов (Н+ и V+n).Another reason why electrolytes become unbalanced: the membranes used are not perfect separators. A small fraction of positive ions (H + and V + n ) inevitably penetrate through anionic membranes.

Как правило, в качестве разделителей батареи предпочтительны катионные мембраны по причине их более высокой механической и химической стойкости по сравнению с анионными мембранами.Typically, cationic membranes are preferred as battery separators because of their higher mechanical and chemical resistance compared to anionic membranes.

Действительно, катионные мембраны являются в основном проницаемыми для ионов водорода (скорость диффузии Н+ гораздо выше, чем эта скорость у ионов ванадия).Indeed, cationic membranes are mainly permeable to hydrogen ions (the diffusion rate of H + is much higher than that of vanadium ions).

Во время подзарядки батареи ионы водорода, образованные в положительной камере по реакции:During battery recharging, hydrogen ions formed in the positive chamber by the reaction:

VO2+2О===VO + 2 +2Н+-,VO 2+ + H 2 O === VO + 2 + 2H + + e - ,

легко мигрируют в отрицательную камеру через мембрану вместе с меньшей долей менее подвижных ионов ванадия.easily migrate into the negative chamber through the membrane along with a smaller fraction of less mobile vanadium ions.

Мигрирующие ионы ванадия будут окислять соответствующее количество восстановленных ионов ванадия, присутствующих в отрицательной камере (V+3 и V+3), но процесс не является полностью обратимым, поскольку ионы ванадия другой степени окисления координируются по-разному с молекулами растворителя (вода, серная кислота), и имеют другую подвижность в катионно-обменной смоле мембраны. Разумеется, во время последующей фазы разрядки число ионов ванадия, проходящих через мембрану в противоположном направлении, не будет именно тем числом, которое было унесено во время фазы подзарядки.Migrating vanadium ions will oxidize the corresponding amount of reduced vanadium ions present in the negative chamber (V +3 and V +3 ), but the process is not completely reversible, since vanadium ions of a different oxidation state coordinate differently with solvent molecules (water, sulfuric acid ), and have a different mobility in the cation exchange resin of the membrane. Of course, during the subsequent discharge phase, the number of vanadium ions passing through the membrane in the opposite direction will not be exactly the number that was carried away during the charging phase.

Нарастающий разбаланс между электролитами вызывает многочисленные проблемы, в числе которых:The growing imbalance between electrolytes causes numerous problems, including:

1) емкость батареи (в единицах кВт·ч/л электролита) пропорционально уменьшается;1) the battery capacity (in units of kWh / l of electrolyte) is proportionally reduced;

2) во время подзарядки один из двух электролитов может полностью подзарядиться, в то время как другой останется частично недозаряженным.2) during recharging, one of the two electrolytes can be fully recharged, while the other remains partially uncharged.

На практике, особенно в случае с небольшими батареями, в которых удаление воздуха из отрицательной камеры нередко бывает неполным, ионы ванадия в положительной камере могут полностью окислиться до V+5, причем в отрицательной камере останется существенный объем V+3. Эта ситуация очень критическая, т.к. если степень окисления тщательно не регулировать в разных электролитах, а только измерять напряжение разомкнутой цепи, то подзарядка будет продолжаться до момента достижения полного окисления V+4 до V+5. В этих условиях значительное выделение кислорода на углеродном электроде будет окислять и разрушать электрод.In practice, especially in the case of small batteries, in which the removal of air from the negative chamber is often incomplete, the vanadium ions in the positive chamber can completely oxidize to V +5 , and a significant volume of V +3 will remain in the negative chamber. This situation is very critical since if the degree of oxidation is not carefully regulated in different electrolytes, but only to measure the open circuit voltage, then recharging will continue until the complete oxidation of V +4 to V +5 is reached. Under these conditions, significant oxygen evolution at the carbon electrode will oxidize and destroy the electrode.

В соответствии с общепринятой методикой, после определенного числа циклов подзарядки и разрядки два электролита (отрицательный и положительный) смешивают, измеряют степень окисления и, если оно не составляет +3,5, то его химическими средствами регулируют до +3,5.In accordance with the generally accepted methodology, after a certain number of recharging and discharging cycles, two electrolytes (negative and positive) are mixed, the oxidation state is measured, and if it is not +3.5, then it is chemically controlled to +3.5.

На практике, когда батарею останавливают, и электролиты смешивают, степень окисления ванадия всегда превышает +3,5 (в основном по причине влияния преобладающего последствия побочной реакции 3)).In practice, when the battery is stopped and the electrolytes are mixed, the oxidation state of vanadium always exceeds +3.5 (mainly due to the influence of the prevailing side effect of side reaction 3)).

Электролит регулируют до степени окисления ванадия, равной +3,5, путем введения восстановительного вещества (щавелевая кислота, сульфит и др.).The electrolyte is regulated to a vanadium oxidation state of +3.5 by introducing a reducing substance (oxalic acid, sulfite, etc.).

Затем существенное количество энергии должно быть затрачено на приведение системы обратно в нулевое состояние заряда (V+3 в отрицательном электролите, и V+4 в положительном электролите).Then a significant amount of energy should be spent on bringing the system back to the zero state of charge (V +3 in the negative electrolyte, and V +4 in the positive electrolyte).

Это периодически затрачиваемое количество энергии представляет нетто-потери процесса аккумулирования энергии.This periodically spent amount of energy represents the net loss of the energy storage process.

Эту, не являющуюся пренебрежимо малой, потерю энергии можно значительно снизить в соответствии с особенностью данного изобретения, т.е. за счет установки относительно небольшого асимметричного электролизера восстановления ванадия в соответствии с данным изобретением в отрицательном, или более предпочтительно, положительном контуре электролита согласно Фиг.4.This, which is not negligible, the energy loss can be significantly reduced in accordance with the feature of the present invention, i.e. by installing a relatively small asymmetric electrolysis cell for vanadium reduction in accordance with this invention in the negative, or more preferably, positive electrolyte circuit according to FIG. 4.

Согласно указанному изображению циркуляцию положительного электролита можно осуществлять полностью или частично (в последнем случае с помощью, например, регулируемого трехходового клапана или другими средствами) через относительно небольшой асимметричный электролизер восстановления ванадия – (Восст).According to the indicated image, the circulation of the positive electrolyte can be carried out in whole or in part (in the latter case, using, for example, an adjustable three-way valve or other means) through a relatively small asymmetric electrolysis cell for vanadium reduction - (Vosst).

Электролизер (Восст) может действовать в соответствии с необходимостью либо непрерывно, либо периодически, чтобы сохранять симметричное состояние окисления ванадия.The electrolyzer (Vosst) can act in accordance with the need either continuously or periodically in order to maintain a symmetric oxidation state of vanadium.

Благодаря возможности, обеспечиваемой наличием этого вспомогательного электролизера восстановления (Восст) можно устранить необходимость смешивания двух электролитов, регулирования степени окисления до приблизительно +3,5 и предварительной подзарядки батареи для восстановления нулевого состояния заряда, либо выполнять их в случаях исключительной необходимости.Due to the possibility provided by the presence of this auxiliary recovery electrolyzer (Vosst), it is possible to eliminate the need for mixing two electrolytes, regulating the oxidation state to approximately +3.5 and pre-charging the battery to restore the zero state of charge, or to perform them in cases of exceptional need.

Claims (13)

1. Способ получения кислого ванадиевого раствора электролита, содержащего V+3 и V+4 в нужном концентрационном отношении, из твердой пятиокиси ванадия, подаваемой в раствор электролита, заключающийся в том, что осуществляют электрохимическое восстановление, по меньшей мере частично, растворенного ванадия в кислом растворе электролита путем циркуляции раствора электролита через множество электролизеров в каскаде по меньшей мере до степени окисления V+3 или до более низкой степени окисления; осуществляют реагирование восстановленного таким образом ванадия, содержащегося в растворе электролита, выходящем из последнего из указанных электролизеров, со стехиометрическим количеством пятиокиси ванадия, получая при этом раствор электролита, содержащий ванадий, по существу, в степени окисления V+4; вводят кислоту и воду для поддержания определенной молярности раствора; осуществляют непрерывное рециркулирование раствора электролита через каскад электролизеров, при этом отводя поток получаемого раствора электролита, содержащего V+3 и V+4 в нужных концентрациях, на выходе одного из электролизеров указанного каскада; причем каждый электролизер имеет катод и анод с соответствующими морфологиями поверхности, геометрией и взаимным расположением для установления на анодной поверхности плотности тока, от 5 до 20 раз превышающей плотность тока на проецируемой катодной поверхности, и выделения кислорода на аноде.1. A method of obtaining an acidic vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 in the desired concentration ratio from solid vanadium pentoxide supplied to the electrolyte solution, which consists in the electrochemical reduction of at least partially dissolved vanadium in acid an electrolyte solution by circulating an electrolyte solution through a plurality of electrolyzers in a cascade at least to an oxidation state of V +3 or to a lower oxidation state; reacting thus restored vanadium contained in the electrolyte solution leaving the last of these electrolysis cells with a stoichiometric amount of vanadium pentoxide, thereby obtaining an electrolyte solution containing vanadium, essentially, in the oxidation state V +4 ; acid and water are introduced to maintain a certain molarity of the solution; carry out continuous recycling of the electrolyte solution through the cascade of electrolyzers, while diverting the flow of the resulting electrolyte solution containing V +3 and V +4 in the desired concentrations at the outlet of one of the electrolyzers of the specified cascade; moreover, each cell has a cathode and anode with corresponding surface morphologies, geometry and relative position to establish a current density on the anode surface that is 5 to 20 times higher than the current density on the projected cathode surface, and oxygen evolution on the anode. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный раствор электролита является сернокислым раствором, и молярное содержание ванадия составляет от 1 до 5.2. The method according to claim 1, characterized in that said electrolyte solution is a sulfate solution, and the molar content of vanadium is from 1 to 5. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность тока на проецируемой катодной поверхности составляет от 100 до 300 А/м2, а плотность тока на анодной поверхности составляет от 1000 до 8000 А/м2.3. The method according to claim 1, characterized in that the current density on the projected cathode surface is from 100 to 300 A / m 2 and the current density on the anode surface is from 1000 to 8000 A / m 2 . 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная окись ванадия находится в виде порошка и имеет размер частиц не более 100 мкм.4. The method according to claim 1, characterized in that the said vanadium oxide is in the form of a powder and has a particle size of not more than 100 microns. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после реагирования восстановленного ванадиевого раствора электролита с указанным стехиометрическим количеством пятиокиси ванадия раствор отделяют от каких-либо остаточных нерастворенных частиц пятиокиси ванадия.5. The method according to claim 1, characterized in that after the reaction of the reduced vanadium electrolyte solution with the indicated stoichiometric amount of vanadium pentoxide, the solution is separated from any residual undissolved particles of vanadium pentoxide. 6. Установка для приготовления ванадиевого раствора электролита, содержащего V+3 и V+4 в нужном концентрационном отношении, из твердого сырья в виде пятиокиси ванадия, состоящая из множества электролизеров для восстановления ванадия, гидравлически соединенных в каскад и электрически запитываемых последовательно от регулируемого источника постоянного тока; емкости растворения, собирающей восстановленный раствор электролита, выходящий из последнего электролизера указанного каскада электролизеров, и имеющей механическое средство перемешивания и подающий механизм для регулируемого количества пятиокиси ванадия в виде порошка; средства разделения обогащенного ванадием раствора, выходящего из указанной емкости растворения, от остаточных твердых частиц пятиокиси ванадия; средства для введения серной кислоты и воды в обогащенный ванадием раствор для поддержания определенной молярности раствора; насосное средство для рециркулирования раствора электролита через каскад электролизеров для восстановления ванадия; выпускное средство для отведения потока получаемого раствора электролита, содержащего V+3 и V+4 в нужном концентрационном отношении, на выходе одного из электролизеров указанного каскада электролизеров; причем каждый электролизер имеет катод и анод с соответствующими морфологиями поверхности, геометрией и взаимным расположением для установления на анодной поверхности плотности тока, от 5 до 20 раз превышающей плотность тока на проецируемой катодной поверхности, и выделения кислорода на аноде.6. Installation for the preparation of a vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 in the desired concentration ratio, from solid raw materials in the form of vanadium pentoxide, consisting of many electrolytic cells for vanadium recovery, hydraulically connected to a cascade and electrically powered in series from an adjustable constant source current; a dissolution tank collecting the reconstituted electrolyte solution emerging from the last electrolyzer of said cascade of electrolysis cells and having mechanical mixing means and a feeding mechanism for an adjustable amount of vanadium pentoxide in powder form; means for separating a vanadium-enriched solution exiting said dissolution vessel from residual solid particles of vanadium pentoxide; means for introducing sulfuric acid and water into the vanadium-enriched solution to maintain a certain molarity of the solution; pumping means for recycling the electrolyte solution through a cascade of electrolyzers to restore vanadium; outlet means for diverting the flow of the resulting electrolyte solution containing V +3 and V +4 in the desired concentration ratio, at the outlet of one of the electrolyzers of the indicated cascade of electrolyzers; moreover, each cell has a cathode and anode with corresponding surface morphologies, geometry and relative position to establish a current density on the anode surface that is 5 to 20 times higher than the current density on the projected cathode surface, and oxygen evolution on the anode. 7. Электролизер для восстановления ионов V+4 и/или V+5 в кислом ванадиевом водном растворе электролита до V+3 и/или V+2, имеющий катод и анод с соответствующими морфологиями поверхности, геометрией и взаимным расположением для установления на анодной поверхности плотности тока, от 5 до 20 раз превышающей плотность тока на проецируемой катодной поверхности, и выделения кислорода на аноде.7. An electrolyzer for the reduction of V +4 and / or V +5 ions in an acidic vanadium electrolyte aqueous solution to V +3 and / or V +2 , having a cathode and anode with appropriate surface morphologies, geometry, and relative position to be installed on the anode surface a current density of 5 to 20 times the current density on the projected cathode surface, and oxygen evolution on the anode. 8. Электролизер по п.7, состоящий из цилиндрического трубчатого корпуса из неэлектропроводного кислотостойкого материала, имеющего впускное отверстие 3 и переливное отверстие; катода из углеродного войлока, находящегося на внутренней цилиндрической поверхности трубчатого корпуса, снабженного выводом для электрического соединения электролизера; стержневого анода из вентильного металла, покрытого непассивирующим электрокаталитическим покрытием и установленного вдоль оси цилиндрического катода из углеродного войлока.8. The electrolyzer according to claim 7, consisting of a cylindrical tubular body of a non-conductive acid-resistant material having an inlet 3 and an overflow hole; a cathode of carbon felt, located on the inner cylindrical surface of the tubular body, equipped with a terminal for electrical connection of the cell; a rod anode of valve metal coated with a non-passivating electrocatalytic coating and installed along the axis of the cylindrical cathode of carbon felt. 9. Электролизер по п.7, отличающийся тем, что содержит проницаемое для электролита средство удержания плавучих пузырьков кислорода, поднимающихся в электролите вокруг или вблизи анода.9. The electrolyzer according to claim 7, characterized in that it contains permeable to the electrolyte means for holding floating oxygen bubbles rising in the electrolyte around or near the anode. 10. Электролизер по п.9, отличающийся тем, что указанное проницаемое средство удержания выбрано из группы, состоящей из сеточных экранов, тканых материалов, войлоков, пористых и микропористых стеклянных фритт и агломерированных тел, которые все выполнены из материала, обладающего химической стойкостью к раствору электролита.10. The electrolyzer according to claim 9, characterized in that the said permeable retention means is selected from the group consisting of mesh screens, woven materials, felts, porous and microporous glass frits and agglomerated bodies, which are all made of a material having chemical resistance to solution electrolyte. 11. Электролизер по п.7, отличающийся тем, что указанный анод выполнен из вентильного металла, покрытого смешанным оксидом иридия и тантала или циркония.11. The electrolyzer according to claim 7, characterized in that said anode is made of valve metal coated with a mixed oxide of iridium and tantalum or zirconium. 12. Способ восстановления баланса состояния относительной степени окисления двух отдельных ванадиевых электролитов, циркулирующих в системе полностью ванадиевой поточной восстановительно-окислительной батареи, без выведения ее из эксплуатации, согласно которому осуществляют циркуляцию части одного из двух разных электролитов в электролизер для восстановления ванадия, являющийся внешним по отношению к батарее, выполненный в соответствии с любым из пп.7-11, и подают ток через электролизер в течение времени, необходимого для восстановления баланса степени окисления ванадия, содержащегося в двух электролитах системы поточной восстановительно-окислительной батареи.12. A method of restoring the balance of the state of the relative oxidation state of two separate vanadium electrolytes circulating in the system of a fully vanadium in-line reduction and oxidation battery without decommissioning it, according to which part of one of two different electrolytes is circulated to the vanadium recovery electrolyzer, which is external to in relation to the battery, made in accordance with any one of paragraphs.7-11, and supply current through the electrolyzer for the time necessary to restore Ia balance degree of oxidation of the vanadium contained in the two electrolytes system redox-flow battery. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что указанный электролит является положительным электролитом, циркулирующим в камерах положительного электрода батареи.13. The method according to p. 12, characterized in that the electrolyte is a positive electrolyte circulating in the chambers of the positive electrode of the battery.
RU2003107048/09A 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery RU2251763C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003107048/09A RU2251763C2 (en) 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003107048/09A RU2251763C2 (en) 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003107048A RU2003107048A (en) 2004-08-20
RU2251763C2 true RU2251763C2 (en) 2005-05-10

Family

ID=35747183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003107048/09A RU2251763C2 (en) 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2251763C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573836C1 (en) * 2014-10-21 2016-01-27 ЭлДжи КЕМ, ЛТД. Method of reducing membrane permeability with respect to vanadium ions and membrane made using said method
RU2690013C1 (en) * 2016-01-28 2019-05-30 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of producing vanadium electrolyte with high purity and high activity
RU2691058C1 (en) * 2016-01-28 2019-06-10 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of obtaining vanadium electrolyte of high purity
RU2691103C1 (en) * 2016-01-28 2019-06-11 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of producing electrolyte of high purity for completely vanadium flow redox accumulator
RU2708077C1 (en) * 2016-10-07 2019-12-04 Вионкс Энерджи Корпорейшн Electrochemical cleaning of electrolyte solutions and corresponding systems and methods
RU2716148C1 (en) * 2019-05-07 2020-03-06 Открытое акционерное общество "Элеконд" Method of preparing electrolyte for vanadium redox batteries

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573836C1 (en) * 2014-10-21 2016-01-27 ЭлДжи КЕМ, ЛТД. Method of reducing membrane permeability with respect to vanadium ions and membrane made using said method
RU2690013C1 (en) * 2016-01-28 2019-05-30 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of producing vanadium electrolyte with high purity and high activity
RU2691058C1 (en) * 2016-01-28 2019-06-10 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of obtaining vanadium electrolyte of high purity
RU2691103C1 (en) * 2016-01-28 2019-06-11 Инститьют Оф Процесс Инжиниринг, Чайнис Академи Оф Сайнсис System and method of producing electrolyte of high purity for completely vanadium flow redox accumulator
RU2708077C1 (en) * 2016-10-07 2019-12-04 Вионкс Энерджи Корпорейшн Electrochemical cleaning of electrolyte solutions and corresponding systems and methods
US11233260B2 (en) 2016-10-07 2022-01-25 Largo Clean Energy Corp. Electrochemical-based purification of electrolyte solutions, and related systems and methods
US11942669B2 (en) 2016-10-07 2024-03-26 Largo Clean Energy Corp. Electrochemical-based purification of electrolyte solutions, and related systems and methods
RU2716148C1 (en) * 2019-05-07 2020-03-06 Открытое акционерное общество "Элеконд" Method of preparing electrolyte for vanadium redox batteries

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2000267249A1 (en) Vanadium electrolyte preparation using asymmetric vanadium reduction cells and use of an asymmetric vanadium reduction cell for rebalancing the state of charge of the electrolytes of an operating vanadium redox battery
US5258241A (en) Rebalance cell for a Cr/Fe redox storage system
Wendt et al. Electrochemical engineering: science and technology in chemical and other industries
US3981787A (en) Electrochemical circulating bed cell
JP2724817B2 (en) All Vanadium Redox Battery
KR101415538B1 (en) MANUFACTURING DEVICE OF ELECTROLYTE SOLUTION FOR VANADIUM REDOX FlOW BATTERY USING ELECTROLYSIS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME
EP3887576B1 (en) Electrochemical reactor and its cleaning or regeneration
KR20190052722A (en) Electrochemical-based purification of electrolyte solutions, and related systems and methods
WO2013110421A1 (en) System for generating and/or storing energy on an electrochemical basis
RU2251763C2 (en) Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery
JP2004071165A (en) Production method for electrolyte for vanadium redox battery
CN109478673A (en) Electrolyte circulation battery electrolytic solution and electrolyte circulation battery system
KR101506951B1 (en) Manufacturing equipment of electrolyte for redox flow battery and manufacturing method thereof
US20200115806A1 (en) Hydrogen generator
US5035869A (en) Process for reducing uranyl salt
RU2003107048A (en) PREPARATION OF VANADIUM ELECTROLYTE BY USING ASYMMETRIC ELECTROLYZERS OF VANADIUM RESTORATION FOR REMOVAL OF VALENOE RESISTANCE
WO2014195574A1 (en) Method for metal electrowinning and an electrowinning cell
KR101514881B1 (en) Method of manufacturing electrolyte for Vanadium secondary battery and apparatus thereof
Chen et al. The use of a porous hydrogen diffusion anode in the electrochemical reduction of glucose to sorbitol
CN217780824U (en) Magnesium air sea water desalination battery device and grid-connected equipment
US3362852A (en) Fuel cell with consumable ferrous metal anode
US4367128A (en) Energy efficient self-regulating process for winning copper from aqueous solutions
Schumm et al. Carbon-zinc batteries
JPH08323154A (en) Method for concentrating deuterium and device therefor
CN115028241A (en) Magnesium air sea water desalination battery device and grid-connected equipment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060817