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电极结构对液流电池传质影响的数值与实验研究

电极结构对液流电池传质影响的数值与实验研究

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作者：田韫祎北京交通大学

学位级别：硕士

液流电池是新型的大规模电化学储能技术之一,其具有效率高、运行操作简单、维护成本低、充放电周期寿命长以及因功率和能量相分离而可以灵活设计等独特优势,在目前已有的储能技术领域中占据着重要地位。液流电池的工作原理是在可逆氧化... 详细信息

液流电池是新型的大规模电化学储能技术之一,其具有效率高、运行操作简单、维护成本低、充放电周期寿命长以及因功率和能量相分离而可以灵活设计等独特优势,在目前已有的储能技术领域中占据着重要地位。液流电池的工作原理是在可逆氧化还原化学反应过程中,通过参与反应的活性物质的化合价变化来实现电能与化学能之间的相互转换与能量存储。目前,液流电池因受其关键组件的性能限制,电池的工作性能、可靠性以及循环效率等尚不能满足实际应用的需求。由于电池中的储能活性物质主要在电极内部发生氧化还原反应,因此,有必要改善液流电池现有的电极结构以及优化电池运行条件,以此提高液流电池性能。为此,本文采用数值模拟与实验相结合的方法,开展了电极结构对液流电池传质影响的研究。具体研究内容如下:为了明确电极压缩、电解液流速和初始浓度对液流电池流动传质及电化学性能的作用机制,建立了全钒液流电池三维模型,对比了五种不同压缩程度的电极对电池的影响,综合电极内部的电解液传质情况和电池性能分析,结果发现电极压缩可以在不增加额外运行成本的条件下有效提高电池性能,当电极压缩比为30%时,电极内部的电解液浓度分布及其电势分布更加均匀,在此压缩比下,适当提高电解液流速和初始浓度可使全钒液流电池获得更突出的电化学性能;为降低成本和提高环保安全性,进一步建立了全铁液流电池三维模型,发现Fe/Fe氧化还原对同样展现出良好的性能,特别是在增设了流场结构后,电池性能和电极内部的流动传质情况进一步改善,此外,对比了九种不同尺寸的流道对电池传质及电化学性能的影响后,发现流道厚为0.005 m的电池传质性能和电化学性能均表现更优,本研究为全铁液流电池流道尺寸的设计提供了具有参考性的建议。为了进一步改善全铁液流电池电极内部的流动传质和电池效率,将浆料电极与全铁液流电池相结合,替代了电池中原有的传统多孔电极,形成了半固态全铁液流电池,搭建了实验平台对该电池进行了充放电实验,并且首次在半固态全铁液流电池的研究中设置了外加磁场,结果显示外加磁场的引入有利于改善电池流道内浆料的流动传质,进而延长了电池的放电时间;进一步建立了半固态全铁液流电池三维模型,其可靠性由实验数据得以验证。模拟结果显示,提高浆料流速和初始浓度均有利于使电池内部浆料中离子浓度分布更均匀,同时,电池流道尺寸的改变也会使浆料的流动传质发生变化。进一步改进流道设计后发现,浆料进出口段流道长为2 cm时,更有利于半固态全铁液流电池的高效运行。

关键词：液流电池流动传质电池性能电极压缩浆料电极半固态电池

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