全铁氧化液流电池系统的制作方法

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种混合液流电池系统，尤其涉及一种全铁氧化液流电池系统。


背景技术：

2.液流电池，是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术。电解液置于电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，并发生电化学反应，实现化学能与电能的转换。液流电池的额定功率和额定能量是独立的，功率大小取决于电堆，能量的大小取决于电解液。可随意增加电解液的量，达到增加电池容量的目的。能深放电但不会损坏电池，可100%放电。电池结构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低。电解质溶液为水溶液，电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高。液流电池的活性物质存在于液态电解质中，因此能量密度相对比较低。
3.用高容量、低电位的金属材料代替低浓度的负极电解液，用作负极的活性物质，虽然牺牲了部分液流电池的工作特点，但可以极大地提高液流电池的能量密度。这种在正极半电池保持液流电池的工作模式，而负极半电池使用传统电池的工作模式的液流电池结构叫做混合液流电池。
4.混合液流电池能量密度受正极半电池电解液的限制，整体能量密度上虽有较大的提升，但对比目前比较成熟的电池技术并没有很好的表现。液流电池的反应物质、隔膜以其他辅助装置，使得总体造价仍比较高。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
6.为此，本发明的目的在于提出一种全铁氧化液流电池系统，该电池系统能实现大的比功率、安全合理的能量密度和经济高效的转换效率，同时具备造价低廉、环境安全和便于回收综合利用的特点。为了实现上述目的，本发明提出了一种全铁氧化液流电池系统，包括反应仓、氧化仓、管路、铁电极、液流电极、铁离子电解液、氧化性物质。铁电极、液流电极位于反应仓内，反应仓、氧化仓通过管路形成循环系统，反应仓中的铁离子电解液在液流电极上与铁电极反应放出电能，铁离子在液流电极上被还原为亚铁离子，铁电极失去电子变成亚铁离子进入电解液。电解液进入氧化仓与氧化性物质反应，被氧化的电解液循环进入反应仓。电解液在循环中可经过适当的调整处理，电解液的调整可包括但不限于分离多余的电解液、补充电解液成分或水、分离沉淀、排放气体。可在氧化仓或管路包含电解液的调整装置。管路可包含液泵、阀门以调节流经的电解液压力实现电解液循环和控制。
7.本发明的电池系统的启动需打开管路加注电解液，电池系统不响应秒级以下的用电启动且不可充电。可与外部可充电电池配合，以满足即时的用电响应和能量回收。通过管路排干反应仓电解液实现长期不运行状态下的电池保存。通过补充铁电极材料、氧化性物质和调整电解液增加电池运行时间。
8.本发明的电池系统的反应仓电极电压理论值为1.21v，在实验中测量得到0.8v到1.0v，根据电极成分、纯度、钝化锈蚀程度以及电解液浓度等的不同，实际工作电压会有变化。多个反应仓可串联、并联或串并联组合成电池组以提供高电压或大电流，在一些实施例中，在保证不同电位绝缘的情况下共用氧化仓，绝缘措施包括但不限于滴注、加注后分离等。
9.本发明的电池系统的氧化仓可根据应用场景采取措施加速氧化，包括但不限于机械方式增加气体与液体的接触面和相对流速、采用催化剂加速反应、采用反应仓2倍以上的面积滩晒氧化、加压加湿增加气体氧化物质溶解度、组成原电池回收能量和加速反应。
10.本发明的电池系统以铁为负极，价格低廉、污染极少、铁电极材料来源丰富，不使用贵金属催化剂，理论能量密度适中，以机械方式添加电极材料电池储存寿命长，存储安全且便于回收，适合大范围应用。
11.本发明的电池系统的反应仓电极以固相-液相反应，放电功率大，比功率高。氧化仓中亚铁离子氧化快。电解液两步式反应对放电提供缓冲以应对动力电池等大功率应用场景，降低理论电压换取氧化速度的提升，在一些实施例中以铁-氧1.3v理论电压降低为铁-三价铁1.21v理论电压，以固液气三相反应放电转换为固液两相反应放电，不使用碱性电解液，电极的钝化和极化小，电池内阻低，实际工作电压合理可用。
12.本发明的电池系统以系统可逆性换取阳极电解液可逆性，减小了阳极电解液的体量对系统能量密度的限制。正负极反应后都转化为亚铁离子，降低了液流电池隔膜的要求，负极不需要单独的电解液，整体降低了系统造价。以铁为电极，电负性不及锂、钠、镁、铝、锌等金属，工作电压也相对较低，理论能量密度极限接近1.1千瓦时每千克，不及常见的金属空气电池。本发明的电池系统在完整的循环后仅消耗铁和少量的水，避免了多数金属空气电池中络合反应等消耗的电解液占的重量，电池系统结构相对简单，辅助物占比可接受，因此有效活性物质占比高，实际能量密度有望达到500瓦时每千克，具备优良应用前景。
13.在本发明的一些实施例中，氧化仓的氧化性物质为空气中的氧气，电解液中的亚铁离子与空气中的氧气反应生成铁离子并产生氧化铁沉淀，被氧化后的电解液经滤膜进入反应仓完成循环。电解液在循环中不发生损耗，总体反应为铁与氧气生成氧化铁。实际产物氧化铁黄含有水分子和游离水，因此需要补充一定量的水。通过补充铁电极材料、排空氧化铁黄泥料和补水即可增加电池运行时间。
14.在本发明的一些实施例中，氧化仓的氧化性物质为氯气，电解液中的亚铁离子与氯气反应生成铁离子，被氧化后的电解液进入反应仓完成循环。为保持电解液在循环中的平衡，可在氧化前分离氯化亚铁或在氧化后分离氯化铁。一个实施例与氯碱电解装置配合，以原盐、废铁和较少的电力实现氢气-烧碱-氯化亚铁联产，或增加以空气氧化的一个实施例以原盐、废铁实现氢气-烧碱-氯化亚铁-氧化铁黄联产。配合联产方式以价格低廉的原盐、废铁为原料，生产氢气、烧碱、氯化亚铁、氧化铁黄等高价值产品，减少或避免了电力的消耗，减少了变压整流设备的投入，避免了氯气等有毒气体的储存和运输，极具发展前景。电解槽的电解反应和电池系统的放电反应可异步进行，异步时间主要由储液量影响。一些实施例规模巨大可参与电网的稳定控制与调节，配合光伏、风电等改善能源结构。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为根据本发明应用于动力电池的一个实施例的结构示意图。
17.图2为根据本发明应用于氯碱联产的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
19.图1为根据本发明应用于动力电池的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该全铁氧化液流电池系统包括：1.反应仓，2.铁离子电解液，3.铁电极，4.液流电极，5.泄压排气阀，6.注液管，7.注液阀，8.抽液管，9.液泵，10.氧化仓，11.储液室，12.氧化室，13.滤膜，14.排气口，15.进气口，16.进液管，17.出料口，18.出液管，19.出料阀，20.泥料仓，21.铁黄泥料。
20.其中，反应仓（1）和氧化仓（10）经抽液管（8）、液泵（9）、进液管（16）、出液管（18）、注液阀（7）、注液管（6）组成的管路形成循环系统。反应仓（1）中的铁离子电解液（2）在液流电极（4）上与铁电极（3）反应放出电能，铁离子在液流电极（4）上被还原为亚铁离子，铁电极（3）失去电子变成亚铁离子进入电解液。电解液进入氧化仓（10）在氧化室（12）中与氧化性物质反应，被氧化的电解液经滤膜（13）进入储液室（11），经出液管（18）、注液阀（7）、注液管（6）进入反应仓（1）。在此示例中，氧化性物质为空气中的氧，空气通过进气口（15）流入通过排气口（14）流出，铁离子被氧化后产生氧化铁沉淀称为铁黄泥料（21）经出料口（17）、出料阀（19）进入泥料仓（20）。
21.此示例中泄压排气阀（5）、滤膜（13）、出料口（17）、出料阀（19）、泥料仓（20）等应视作对应设备的附属设施，在一些实施例中可去除或以其他的形式被使用，不应视作对本发明的限制。
22.图2为根据本发明应用于氯碱联产的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该全铁氧化液流电池系统包括：1.反应仓，2.铁离子电解液，3.铁电极，4.液流电极，5.泄压排气阀，6.注液管，7.注液阀，8.抽液管，9.液泵，10.氧化仓，11.储液室，12.氧化室，13.隔气滤膜，14.回气管，15.进气管，16.进液管，17.氯化亚铁分液阀，18.出液管，19.氯化铁分液阀，20.气泵，21.氯气抽气管，22氯碱电解槽，23.集流配电箱。
23.其中，反应仓（1）和氧化仓（10）经抽液管（8）、液泵（9）、进液管（16）、出液管（18）、注液阀（7）、注液管（6）组成的管路形成循环系统。反应仓（1）中的铁离子电解液（2）在液流电极（4）上与铁电极（3）反应放出电能，铁离子在液流电极（4）上被还原为亚铁离子，铁电极（3）失去电子变成亚铁离子进入电解液。电解液进入氧化仓（10）在氧化室（12）中与氧化性物质反应，被氧化的电解液经隔气滤膜（13）进入储液室（11），经出液管（18）、注液阀（7）、注
液管（6）进入反应仓（1）。在此示例中，氧化性物质为氯碱电解槽（22）电解产生的氯气。氯气经氯气抽气管（21）被气泵（20）吸入，通过进气管（15）流入通过回气管（14）流回循环。铁离子被氧化，氯气被还原后进入电解液，不产生沉淀，增加了电解液的总量。可通过氯化铁分液阀（19）分离出多余的氯化铁溶液，也可通过氯化亚铁分液阀（17）分离出氯化亚铁原液，氯化亚铁原液可与铁反应精制出氯化亚铁。液流电极（4）与铁电极（3）上放出电能接入集流配电箱（23）经组合切换和控制得到符合氯碱电解的电压给氯碱电解槽（22）供电，不足的电量可由电网提供或由本发明的其他实施例的电池系统提供。此实施例以原盐、废铁和较少的电力实现氢气-烧碱-氯化亚铁联产。增加以空气氧化的一个实施例实现以原盐、废铁实现氢气-烧碱-氯化亚铁-氧化铁黄联产。联产系统整体上减少或避免了电力的消耗，减少了变压整流设备的投入。氯碱电解产生氯气即时被电池系统消耗，避免了氯气的储存和运输。使用大容量的储液空间，可吸收电解槽在电网电能富余时电解产生的氯气，在电网电能不足时电池系统放电回电网，一些实施例放电功率大规模巨大，可参与电网的稳定控制与调节，配合光伏、风电等改善能源结构。
24.此示例中泄压排气阀（5）、滤膜（13）、氯化亚铁分液阀（17）、氯化铁分液阀（19）、气泵（20）、氯气抽气管（21）、氯碱电解槽（22）、集流配电箱（23）等应视作对应设备的附属设施或外部设备，在一些实施例中可去除或以其他的形式被使用，不应视作对本发明的限制。
25.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
26.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。