一种高效铁铬液流电池电解液制备设备的制作方法

本发明属于电解液制备，具体是一种高效铁铬液流电池电解液制备设备。

背景技术：

1、铁-铬液流电池储能技术被称为储能时间最长、最安全的电化学储能技术之一，该技术采用fe2+/fe3+电对和cr2+/cr3+电对作为正极和负极活性物质，通常以盐酸作为支持电解液质,稳定性高，可实现功率和容量按需灵活定制，更是具有循环次数多，寿命长，温度范围限制小，获取容易，价格低廉等优点。铁铬液流电池电解液作为反应物质的载体，是整个储能系统的容量单元和重要组成部分，电解液的性能决定了储能系统运行的寿命、稳定性以及成本。

2、经历长时间的研究和优化，研究者确定了铁铬液流电池电解液组成的最优方案为1.0mol/l fecl2、1.0mol/l crcl3和3.0mol/l hcl。在此条件下，电解液的电导率、电化学活性和传输特性的协同作用最佳。在铁铬液流电池电解液的制备过程中，能够影响铁和铬在盐酸中的溶解速度的因素无非就是溶质溶剂的接触面积、温度、盐酸浓度等，现今的技术和设备已经能够做到较好地利用这些因素加速电解液的制备，但仍然存在有可以优化的空间。并且在现有的制备过程中纯化电解液的方法往往还是最简单的过滤纯化，这种方法存在只能除去未溶解的杂质，无法减少已经溶解的其它金属杂质的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述铁铬液流电池电解液制备速度需要进一步优化，纯化过程难以去除已溶解的其它金属杂质的问题，本发明的目的是提供一种高效铁铬液流电池电解液制备设备，通过在反应釜外围设置原电池层和电极与待溶解的铁铬合金形成原电池，以及电沉积室的设计，进一步加快铁铬合金的溶解并纯化，从而提高铁铬液流电池电解液的生产效率和质量。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种高效铁铬液流电池电解液制备设备，包括罐体，罐体底部固定连接有电沉积室，罐体顶部固定连接有搅拌电机，罐体包括反应釜和原电池层，罐体顶壁于反应釜顶壁固定连接，反应釜顶壁连通有加料管和注液管，反应釜外周与原电池层固定连接；

3、搅拌电机输出轴穿过罐体顶壁延伸至反应釜内并与固定环转动连接，且搅拌电机输出轴位于反应釜内部分固定连接有若干搅拌扇叶；

4、反应釜底壁设有磁化导电盘，磁化导电盘顶部侧壁穿过反应釜底壁延伸至原电池层内并固定连接有若干还原电极；

5、反应釜侧壁上设有若干盐桥，反应釜通过盐桥与原电池层内部连通，磁化导电盘中央设有转运管连通电沉积室，转运管上设有转运阀门；

6、电沉积室底壁呈斜坡状，电沉积室底部侧壁连通有出液管，电沉积室底壁靠近出液管的一侧低于另一侧。

7、基础方案的原理是：纯水、盐酸、铁铬合金粉末等原料分别通过加料管和注液管投入反应釜中进行溶解，搅拌电机带动多个搅拌扇叶搅动反应釜中的液体，使得铁铬合金粉末加速溶解；

8、即使是尚未溶解的粉末，也会在高速液体射流和重力的共同作用下旋转堆积在反应釜底部中央，并与具有磁性的磁化导电盘接触，形成一个离散和运动中的铁铬合金电极，由于原电池层中的还原电极使用的是金属活泼性低于铁和铬的金属，并且通过磁化导电盘与铁铬合金电极连接，两种电极所处的电解液环境通过反应釜壁上的多个盐桥连通，整体构成了一个原电池系统，其中接触到磁化导电盘的铁铬合金粉末即为氧化电极；

9、此时，由于铁铬合金活泼性更强，在原电池系统中与还原电极形成电位差，电子从铁铬合金中自动通过磁化导电盘流入还原电极，铁铬合金失去电子则被加速氧化溶解在盐酸中，还原电极获得的电子被导入还原电解液的h+中，并发生2h++e-＝h2的还原反应产生氢气；

10、经搅拌、溶解后得到的铁铬液流电池电解液通过磁化导电盘中央的转运管流入电沉积室中进一步处理，最终通过电沉积室底部侧壁连通的出液管进行收集和储存。

11、基础方案的有益效果是：1.在影响金属在酸中溶解的基本因素的基础上，结合电化学中的原电池结构，构建了铁铬原电池溶解系统，以简单的结构设计进一步加速了溶解速率。

12、2.通过原电池原理溶解铁铬不需要添加极端的物理因素，在温度、压力和原材料等方面限制都很小，不会为溶解速率的增加而更多靡费。

13、3.铁铬原电池溶解系统运行过程中会产生副产物氢气，氢气可以储存售卖创造经济价值，也可以应用在后续电解液的处理过程中，使得铁铬原电池溶解系统中使用的物料和能量的回收效率增加，减少资源浪费，有益生态环境。

14、进一步，出液管连通有过滤泵，过滤泵分别连通有储液管和排污管。

15、基础方案的有益效果是：在反应釜中溶解和经过电沉积室纯化的铁铬液流电池电解液仍然可能存在铁铬合金或其他金属的固体杂质，所以在通过出液管收集电解液时，需要使用过滤泵对电解液进行过滤，以保证电解液的纯度，在此使用的立式过滤泵可以分离滤液和污泥，并且滤孔不易被堵塞。

16、进一步，原电池层中的还原电极垂直于磁化导电盘并呈圆环状排列，还原电极中部和顶端均固定连接有若干还原电极环，构成还原电极和还原电极环的金属，金属活泼性小于铁和铬。

17、基础方案的有益效果是：在铁铬原电池溶解系统工作时，还原电极以及连接的还原电极环全部浸没在还原电解液中，还原电极环的设置大大增加了还原电极与还原电解液的接触面积，也就意味着增加了还原电极与还原电解液之间的电子交换效率，加强了原电池工作效率，并为提高整个系统的铁铬溶解规模打下了基础。

18、进一步，磁化导电盘经磁化处理。

19、基础方案的有益效果是：离散且运动的铁铬合金粉末需要与磁化导电盘碰撞才能成为氧化电极与原电池层的组件形成原电池，整个过程是随机的，而磁化后的导电盘由于具有磁性，可以增加与铁的接触效率，同时也会对与铬的接触产生积极影响，这样的设计提高了整个铁铬原电池溶解系统的稳定性，并保证了原电池系统的工作效率。

20、进一步，电沉积室两侧壁上固定连接有电极槽，电极槽外侧均固定连接有贯穿电沉积室侧壁的电缆，电缆电连接有电池和电压控制器，电池和电压控制器电连接。

21、基础方案的有益效果是：铁铬溶解后得到的铁铬液流电池电解液通过转运管进入电沉积室进行纯化处理，通过电沉积室两侧设计的电极槽和它们连接的供电和控制组件，根据金属离子的电沉积原理和对应的金属杂质的平衡电位对电解液双向充放电，在这个过程中，对应金属杂质就会从电解液中被析出并凝结在两侧的电极槽上，通过电沉积的化学方法纯化溶解的金属杂质，补全了铁铬液流电池电解液化学方式纯化处理过程的缺失，提高了制备的铁铬液流电池电解液的质量。

22、进一步，电极槽呈半圆弧形，且电极槽上均设有垂直于电极槽的若干电极片。

23、基础方案的有益效果是：电极槽和其上固定连接的多层电极片大大增加了电沉积过程电解液和电极的接触面积，保证了铁铬液流电池电解液纯化的效率和质量。

24、进一步，罐体还包括集氢层，集氢层内周与原电池层外壁固定连接，原电池层顶部固定连通有若干与集氢层连通的集氢气泵。

25、基础方案的有益效果是：在原电池层外还套有集氢层，在铁铬原电池溶解系统工作过程中原电池层还原电极和还原电极环周围发生还原反应并产生氢气，氢气从原电池层还原电解液中分离并聚集在原电池层顶部空间，集氢气泵可以将原电池层顶部的氢气泵入集氢层进行富集和短暂储存，以用作后续铁铬液流电池电解液处理；基于这样的多层设计，不仅可以利用原电池原理加速铁铬的氧化溶解，产生的还原产物氢气也不会被浪费，从而增加了铁铬液流电池电解液制备消耗的能源和物料回收，提高了整个制备设备的经济效益。

26、进一步，集氢层底部外侧壁连通有若干输氢管，输氢管延集氢层内部外壁延伸至集氢层顶部，输氢管另一端连通有三向气泵，三向气泵的一端连通有加氢管，加氢管连通于电沉积室的侧壁顶部。

27、基础方案的有益效果是：短暂储存并富集在集氢层的氢气可以通过输氢管由三向气泵泵至电沉积室中，并在铁铬液流电池电解液的电沉积纯化过程中发挥作用，这是因为铁铬液流电池电解液制备的铁铬溶解过程和后续电沉积纯化过程中发生的氧化还原反应都容易使得电解液中溶解的氢离子还原并形成氢气而“析氢”，所以在电沉积室中通入氢气并富集，用以抑制析氢现象的产生，并有可能进一步“溶氢”于铁铬液流电池电解液中，这有益于提高电解液的质量，增加铁铬液流电池电解液后续在铁铬液流电池中使用时的容量极限和循环寿命。

28、进一步，三向气泵的第三端连通有储氢管，储氢管连通有储氢罐。

29、基础方案的有益效果是：电解液纯化后，多余的氢气可以通过三向气泵泵入储氢管进入储氢罐储存，储存的氢气可以用于铁铬液流电池电解液制备设备的周转使用，也可以作为副产物创造经济价值，此设计进一步拓展了铁铬液流电池电解液制备设备的生产功能，提高了资源利用效率，并推动了化工生产设备的绿色环保进步。

30、进一步，搅拌电机输出轴上缠绕有涡流线圈并延伸至输出轴底部。

31、基础方案的有益效果是：输出轴上缠绕的涡流线圈通过通电和旋转，根据涡流效应，可以直接为铁粉加热和保温，保证了铁铬在盐酸中的溶解效率，并能够辅助减少其他加热设备的使用和功耗，进一步促进了整个铁铬液流电池电解液制备设备的能量利用效率的提高，节约了电能。