[发明专利]一种循环电解反应装置及其制备钒电池电解液的方法

说明书

技术领域

本发明涉及液流电池的制造领域，特别是液流电池钒电解液的生产设备和方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池（简称钒电池）是一种以钒离子溶液为活性物质和电解液的液流电池。钒电解液是整个电池的核心，其生产技术和生产成本制约着钒电池的发展和应用。一般的，钒电池电解液分为正极电解液和负极电解液，其中正极电解液由V⁵⁺和V⁴⁺组成，负极电解液由V³⁺和V²⁺构成。由于在自然界中钒通常以+5价的五氧化二钒或钒酸铵的形式存在，因此钒电解液的制备方法通常是将五氧化二钒或钒酸铵通过化学或电化学方法进行还原，来得到V⁴⁺、V³⁺和V²⁺。

已有的化学制备方法一般需要高温煅烧和诸如SO₂、H₂或CO等剧毒或易燃气体参与反应，这样会增加能耗并造成环境污染，同时势必增加成本，因此，降低成本、减少能源消耗和抑制环境污染便成为钒电池电解液生产技术改进的重点和难点。

近年来，研究者开始采用电解方法将V⁵⁺进行电化学还原制备低价态钒电解液，这种方法不需要高温和有毒气体参与反应，操作简便而且环保。已有的电解制备方法一般采用单一电解池，即电解池内两侧装有一对电极，中间的隔膜把电解池分隔成正、负极室，将硫酸和五氧化二钒或钒酸铵的混合物置于负极室，正极室通常注入与负极室溶液具有相同离子强度的硫酸钠或硫酸镁的硫酸溶液，外电路接通后，负极室中的V⁵⁺就被还原成V⁴⁺、V³⁺或V²⁺。

这种单一电解池虽然结构简单，便于操作，但也同样存在一些缺陷：首先，为增大反应空间以增大产量，其正负极距离通常较大，这样会导致电解过程中电化学反应极化增大，电流效率降低，从而造成电能浪费，反应时间增长；其次，单一电解池只有一个反应容器，加料后必须等待反应完全方可获得产品，这种间断式生产过程的生产周期受反应时间控制，反应时间增长，其生产周期也会增长，这样会造成时间浪费；再次，由于V⁵⁺会被还原成V⁴⁺、V³⁺或V²⁺，采用单一电解池制备电解液，产品的钒离子价态难以控制。

发明内容

为了克服单一电解池的上述不足，本发明提供了一种由多个电解池组成的循环电解反应装置，以及利用此装置制备钒电池电解液的方法，以提高电解反应效率，缩短生产周期，方便有效地控制产品电解液中钒离子价态。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：本发明涉及的循环电解反应装置由电解池组、加料反应釜、沉降池、输液管路和泵组成，所述电解池组由2个或2个以上的对称电解池组成，电解池组的阴极出液口通过输液管路与加料反应釜进液口相连，加料反应釜出液口与沉降池进液口相通，沉降池上端出液口通过输液管路和泵与电解池组阴极进液口相通，沉降池下端出液口经泵与加料反应釜进液口相连；所述的电解液制备方法是：首先将V₂O₅和浓度为0.5 molL^-1~6 molL^-1的硫酸溶液加入加料反应釜，经搅拌使部分V⁵⁺溶解形成悬浊液，送入沉降池使未溶解的V₂O₅沉淀，沉降池上层含有V⁵⁺的澄清液体由泵送入电解池组的阴极室，下层沉淀由泵送回加料反应釜，电解池组与外接电源相连，V⁵⁺在电解池组的阴极室被还原，从电解池组出口得到V³⁺溶液，部分V³⁺溶液返回加料反应釜再与一定计量的V₂O₅混合反应形成由V⁴⁺溶液和V₂O₅固体组成的悬浊液，悬浊液送入沉降池使V₂O₅沉淀，上层含有V⁴⁺的澄清液体由泵送入电解池组进行电解反应，电解池组出口得到的部分V³⁺溶液，再送入加料反应釜与一定计量的V₂O₅混合反应，从而形成一个连续循环的电解反应流程。