三隔室铁铝液流电池
阅读说明：本技术 三隔室铁铝液流电池 (Three-compartment iron-aluminum flow battery ) 是由 郑志海 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明铁铝液流电池,属于化学储能领域,特别是液流电池技术领域,具体的涉及一种铁铝液流电池。包括至少一个单电池,单电池包括阳极板、阳极反应室、阴隔膜、催化反应室、阳隔膜、阴极反应室、阴极板,在阳极和阴隔膜之间的阳极反应室通入阳极电解液,于阴隔膜及阳隔膜之间的催化反应室通入催化液,于阴极和阳隔膜之间通入阴极电解液,阴极电解液是去离子水、铝化合物、铝粉的混合物,催化液是去离子水、氯化钾、氯化钠的混合物、阳极电解液是去离子水、铁化合物的混合物,阳隔膜为阳离子交换膜、阴隔膜为阴离子交换膜。本发明所述的铁铝液流电池,具有低造价、无毒、低腐蚀、不易燃,不爆炸、无放热反应、循环充放电周期短、无自放电的优点。(The invention relates to an iron-aluminum flow battery, belongs to the field of chemical energy storage, particularly relates to the technical field of flow batteries, and particularly relates to an iron-aluminum flow battery. The single cell comprises an anode plate, an anode reaction chamber, an anion diaphragm, a catalytic reaction chamber, an anode diaphragm, a cathode reaction chamber and a cathode plate, wherein an anode electrolyte is introduced into the anode reaction chamber between the anode and the anion diaphragm, a catalytic liquid is introduced into the catalytic reaction chamber between the anion diaphragm and the anode diaphragm, a cathode electrolyte is introduced between the cathode and the anode diaphragm, the cathode electrolyte is a mixture of deionized water, an aluminum compound and aluminum powder, the catalytic liquid is a mixture of deionized water, potassium chloride and sodium chloride, the anode electrolyte is a mixture of deionized water and an iron compound, the anode diaphragm is a cation exchange membrane, and the cathode diaphragm is an anion exchange membrane. The iron-aluminum flow battery has the advantages of low manufacturing cost, no toxicity, low corrosion, no flammability, no explosion, no exothermic reaction, short cycle charge-discharge period and no self-discharge.)
技术领域
本发明属于液流电池技术领域，具体涉及一种三隔室铁铝液流电池。
背景技术
随着人们生活水平日益提高，对能源的需求量猛增，传统的化石能源将会逐渐衰竭，不久的将来会满足不了人们对能源的需求。因此，风能、太阳能等可再生能源的开发和利用受到广泛关注。然而要高效利用这种不连续、不稳定、受地域环境限制的可再生能源的有效途径就是储能技术，良好的储能技术是开发利用新能源的关键技术。液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低 ；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在大规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。
当前，发展较为成熟的液流电池体系有全钒液流电池、锌镍液流电池和多硫化钠溴液流电池等，但制约现有液流电池商业化的主要限制就是成本高、能量密度低等缺陷。全钒液流电池有毒、酸性、电解液稳定性差、原料成本高。多硫化钠溴液流电池则是有毒、酸性、循环充放电次数有限，热稳定性差，必须配置冷却系统。锌镍液流电池需要强碱作为支持电解质，这种高浓度的碱溶液对设备腐蚀严重，无法实现能量高效、廉价、安全可靠的储存与释放。要降低液流电池成本，主要有两个途径，一是降低其关键材料如电极、膜、双极板等材料的成本；一是提高电池的能量密度，降低整个系统的成本。而且，能量密度的提高还可以减少储能系统的重量、占地面积和空间，提高其环境适应能力及系统的可移动性，扩展液流电池的应用领域。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种三隔室铁铝液流电池，该铁铝液流电池具有环保无毒、低腐蚀、寿命长、不爆炸的优势，可高频、高功率循环充放电，热稳定性好，容量零衰减，使用寿命可达30年以上。
本发明通过以下技术方案加以实现：
所述的三隔室铁铝液流电池，其特征在于该液流电池由多个单电池形成的电堆组成，所述单电池依次包括阳极板、阳极反应室、阴隔膜、催化反应室、阳隔膜、阴极反应室、阴极板，所述阴极反应室、催化反应室及阳极反应室的两端均设置有密封隔板，所述阳极反应室内通入阳极电解液，催化反应室内通入催化液，阴极反应室内通入阴极电解液，所述阴极电解液为去离子水、铝化合物、铝粉的混合物，催化液是去离子水、氯化钾、氯化钠的混合物，阳极电解液是去离子水、铁粉、铁化合物的混合物，阳隔膜为阳离子交换膜、阴隔膜为阴离子交换膜。
优选地，阴极电解液、催化液及阳极电解液中的去离子水符合下述指标：pH6.0-8.0，电导率＜0.6ms/cm，溶解性总固体含量＜300ppm，K+＜ 10ppm，Ca＜1ppm，Na+＜10ppm，Mg2+＜20ppm，F＜2ppm，SO4 2-＜100ppm，Cl -＜15ppm。
优选地，阴极电解液中的铝化合物是氯化铝，铝粉的粒径为1-10μm；阴极电解液中氯化铝占去离子水总质量的2-10%，铝粉占去离子水总质量的5-20%，余量为去离子水。
优选地，阳极电解液中铁化合物为氯化铁与氯化亚铁的混合物；氯化亚铁占去离子水总质量的1-2%，氯化铁占去离子水总质量的1-3%，铁粉占去离子水总质量的 3-7%，余量为去离子水。
优选地，催化液由去离子水、氯化铵、氯化钠混合而成，三者的质量比为去离子水：氯化铵：氯化钠=1:0.5:0.5。
优选地，阳极板是石墨板、惰性金属板或者碳布中的任一种；所述阴极板是铝板、铝复合板中的任一种。
优选地，阴极电解液、催化液为中性电解液，其PH值为6.0-8.0。
优选地，阳极电解液为弱酸性电解液，其PH值为2.0-6.0。
优选地，阳极电解液采用以下方法制备：1）在常温下将配方量的去离子水加入混合容器中；2）将配方量的固体氯化铁添加到混合容器中，进行搅拌溶解至混合均匀无沉淀；3）将配方量的固体氯化亚铁添加到混合容器中，进行搅拌溶解至混合均匀无沉淀；4）将不配方量的铁粉添加到混合容器中，搅拌混合形成悬浊液，制得阳极电解液；
阴极电解液采用以下方法制备：1）在常温下将配方量的去离子水加入混合容器中；2）将配方量的固体氯化铝添加到混合容器中，搅拌溶解；3）将配方量的铝粉添加到混合容器中，搅拌混合，形成氯化铝/铝粉悬浊液，备用。
本发明铁铝液流电池，可实现小型化，能广泛应用于电网储能调峰，风电光伏储能、电动汽车领域、可再生能源等领域；相比钒液流电池成本大大降低，体积及重量均大大降低，可以实现规模化，且绿色环保无污染。
本发明的核心反应机理是比常规的液流电池增加了催化反应室，通过催化反应室的离子交换沟通电池的电路并隔绝不良反应的产生。同时使得一些常规方式下不能发生反应的半电池能进行反应。
附图说明
图1为本发明单电池结构示意图；
图2为本发明放电测试电路图；
图3为本发明充电测试电路图；
图中，1-阳极板，2-阳极反应室，3-阴隔膜，4-催化反应室，5-阳隔膜，6-阴极反应室，7-阴极板，8-密封隔板。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明技术方案做进一步详细描述，并给出具体实施例。
本发明三隔室铁铝液流电池，由多个单电池形成的电堆组成，单电池的具体结构如图1所示，依次包括阳极板、阳极反应室、阴隔膜、催化反应室、阳隔膜、阴极反应室、阴极板，阴极反应室、催化反应室及阳极反应室的两端均设置有密封隔板，阳极反应室内通入阳极电解液，催化反应室内通入催化液，阴极反应室内通入阴极电解液，阴极电解液为去离子水、铝化合物、铝粉的混合物，催化液是去离子水、氯化铵、氯化钠的混合物，阳极电解液是去离子水、铁化合物、铁粉的混合物，阳隔膜为阳离子交换膜、阴隔膜为阴离子交换膜。阳极板是石墨板、惰性金属板或者碳布中的任一种；阴极板是铝板、铝复合板中的任一种。阴极电解液、催化液为中性电解液，其PH值为6.0-8.0，阳极电解液为弱酸性电解液，其PH值为2.0-6.0。
其中，阴极电解液、催化液及阳极电解液中的去离子水符合下述指标：pH6.0-8.0，电导率＜0.6ms/cm，溶解性总固体含量＜300ppm，K+＜ 10ppm，Ca＜1ppm，Na+＜10ppm，Mg2+＜20ppm，F＜2ppm，SO4 2-＜100ppm，Cl -＜15ppm。阴极电解液中的铝化合物是氯化铝，铝粉的粒径为1-10μm；阴极电解液中氯化铝占去离子水总质量的2-10%，铝粉占去离子水总质量的5-20%，余量为去离子水。阳极电解液中铁化合物为氯化铁与氯化亚铁的混合物；氯化亚铁占去离子水总质量的1-2%，氯化铁占去离子水总质量的1-3%，铁粉占去离子水总质量的3-7%，余量为去离子水。催化液由去离子水、氯化铵、氯化钠混合而成，三者的质量比为去离子水：氯化铵：氯化钠=1:0.5:0.5。
阳极电解液采用以下方法制备：1）在常温下将配方量的去离子水加入混合容器中；2）将配方量的固体氯化铁添加到混合容器中，进行搅拌溶解至混合均匀无沉淀；3）将配方量的固体氯化亚铁添加到混合容器中，进行搅拌溶解至混合均匀无沉淀；4）将不配方量的铁粉添加到混合容器中，搅拌混合形成悬浊液，制得阳极电解液；阴极电解液采用以下方法制备：1）在常温下将配方量的去离子水加入混合容器中；2）将配方量的固体氯化铝添加到混合容器中，进行搅拌溶解至混合均匀无沉淀；3）将配方量的铝粉添加到混合容器中，搅拌混合，形成氯化铝/铝粉悬浊液，制得阴极电解液。
实施例1
一种铁铝液流电池，由1个电堆组成，每个电堆中包含10个单电池，单电池包括阳极板、阴隔膜、阳隔膜、阴极板，于阳极和阳隔膜之间通入阳极电解液，于阴极和阴隔膜之间通入阴极电解液，于阳隔膜与阴隔膜之间通入催化液。阳极电解液为去离子水、氯化铁、氯化亚铁和铁粉的混合物，其中，氯化铁占去离子水总质量的2％，氯化亚铁占去离子水总质量的1％，铁粉占去离子水总质量的5%，余量为去离子水；阴极电解液是去离子水、三氯化铝和铝粉的混合物，其中，铝粉占去离子水总质量的10％，氯化铝占去离子水总质量的5％，余量为去离子水，催化液由去离子水、氯化铵、氯化钠混合而成，三者的质量比为去离子水：氯化铵：氯化钠=1:0.5:0.5，隔膜为阴、阳离子膜。隔膜有效面积0.018m2，反应室有效容积36ml。阳极板选用碳纤维布，阴极板选用纯铝箔，阳隔膜为阳离子交换膜，阴隔膜为阴离子交换膜。
其中，去离子水符合下述指标：pH6.0-8.0，电导率＜0.6ms/cm，溶解性总固体含量＜300ppm，K+＜ 10ppm，Ca＜1ppm，Na+＜10ppm，Mg2+＜20ppm，F＜2ppm，SO4 2-＜100ppm，Cl -＜15ppm。
阳极电解液的制备方法如下： (1)常温下将去离子水1000kg加入混合容器中；(2)将固体三氯化铁FeCl3 20kg添加到混合容器中搅拌溶解； (3) 三氯化铁完全溶解后将固体氯化亚铁FeCl210kg加入到混合容器中搅拌溶解； (4) 氯化亚铁完全溶解后将50kg铁粉加入到混合容器中搅拌混合形成悬浊液备用。
阴极电解液的制备方法如下：(1)先将1000kg去离子水加入到混合容器中； (2)然后将固体AlCl3 50kg 加入到混合容器中搅拌溶解；(3)三氯化铝完全溶解后将固体铝粉100kg加入到混合容器中搅拌混合形成悬浊液备用。
催化液的制备方法如下：(1)先将1000kg去离子水加入到混合容器中；(2)然后将固体氯化钠 500kg 加入到混合容器中搅拌溶解；(3)氯化钠完全溶解后将500kg氯化铵加入到混合容器中搅拌混合形成催化液备用。
实施例2
一种铁铝液流电池，由1个电堆组成，每个电堆中包含10个单电池，单电池包括阳极板、阴隔膜、阳隔膜、阴极板，阳极板选用碳纤维布，阴极板选用纯铝箔，于阳极和阳隔膜之间通入阳极电解液，于阴极和阴隔膜之间通入阴极电解液，于阳隔膜与阴隔膜之间通入催化液。阳极电解液是去离子水、氯化铁、氯化亚铁和铁粉混合物，铁粉占去离子水总质量的6％，氯化铁占去离子水总质量的3％，氯化亚铁占去离子水总质量的2％，余量为去离子水；阴极电解液是去离子水、三氯化铝和铝粉的混合物，阴极电解液中铝粉占去离子水总质量的15％，氯化铝占去离子水总质量的3％，余量为去离子水；催化液是去离子水、氯化钠、氯化铵按质量比1:0.5:0.5的混合物，隔膜为阴、阳离子膜，
其中，阴极电解液和阳极电解液中所用的去离子水符合下述指标：pH6.0-8.0，电导率＜0.6ms/cm，溶解性总固体含量＜300ppm，K+＜ 10ppm，Ca＜1ppm，Na+＜10ppm，Mg2+＜20ppm，F＜2ppm，SO4 2-＜100ppm，Cl -＜15ppm。
阳极电解液的制备方法如下： (1)常温下将去离子水1000kg加入混合容器中；(2)将固体三氯化铁FeCl3 30kg添加到混合容器中搅拌溶解； (3) 三氯化铁完全溶解后将固体氯化亚铁FeCl2 20kg加入到混合容器中搅拌溶解；(4) 氯化亚铁完全溶解后将60kg铁粉加入到混合容器中搅拌混合形成悬浊液备用。
阴极电解液的制备方法如下：(1)先将1000kg去离子水加入到混合容器中；(2)然后将固体AlCl330kg 加入到混合容器中搅拌溶解；(3)三氯化铝完全溶解后将固体铝粉150kg加入到混合容器中搅拌混合形成悬浊液备用。
催化液的制备方法同实施例1。
对实施例1的铁铝液流电池进行性能测试，放电测试电路图如图2。开路电压12.2V，负载电阻1000W/150Ω。放电电流81.2mA。24小时后放电电流80mA。短路放电电流48A。放电至端电压10V时，停止测试。
充电测试电路图如图3，充电电压15V，充电电流150mA。
催化反应室的反应过程：
放电过程：催化反应室中的Na+离子通过阳隔膜进入阳极反应室参与阳极反应，Cl-离子通过阴隔膜进入阴极反应室参与阴极反应，催化反应室离子浓度下降。
充电过程：阳极反应室中的Na+离子通过阳隔膜催化反应室，阴极反应室中的Cl-离子阳通过阴隔膜进入催化反应室，分别从两侧进入催化反应室的Na+离子、Cl-离子合成氯化钠溶液，催化反应室离子浓度增加。
阴极电解液反应方程式：
放电反应： Al –3e-+3Cl-→AlCl3
充电反应：Al3+ +3e--3Cl-→ Al
阳极电解液反应方程式：
放电反应：3FeCl3+3e- +3Na+→3FeCl2+3NaCl
充电反应：3FeCl2-3e- +3NaCl-3Na+→3FeCl3
本发明所述的铁铝液流电池与其他电池的性能对比结果，如表1所示。
表1铁铝液流电池与其他电池性能对比表
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