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基于流道形状设计的全钒液流电池传质优化及实验研究

基于流道形状设计的全钒液流电池传质优化及实验研究

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作者：汪佳慧西安理工大学

学位级别：硕士

为缓解可再生能源对于电网供电的冲击,大规模的储能装置因具有调频调峰、提高电网稳定性等优点逐渐应用到电网系统中,而电化学储能技术因其安装便捷、可灵活选址、在发电端与用户储能端适用,已成为近年来电力储能行业的发展重点。其中,... 详细信息

为缓解可再生能源对于电网供电的冲击,大规模的储能装置因具有调频调峰、提高电网稳定性等优点逐渐应用到电网系统中,而电化学储能技术因其安装便捷、可灵活选址、在发电端与用户储能端适用,已成为近年来电力储能行业的发展重点。其中,全钒液流电池储能技术因其具有:安全可靠,耐久性长,功率与容量解耦,易回收且环保等优势,成为当前储能市场行业的新技术。如今,对具有高电化学性能(功率密度、能量密度、长期稳定性等)的下一代VFB的追求促使研究人员专注于有效地改善电极、膜、电解质和电池结构设计。其中,电池的结构设计的差异也是影响能效、充放电容量、极化性能的关键点。而电池结构设计最有效、最便捷的是对电解液流动形状、肋宽、高度、长度等开展研究设计。基于此本文对全钒液流电池的微观流道截面的形状尺寸差异进行了深入的探讨和研究,各章节的研究内容如下:(1)概括了钒储能技术的优势以及发展前景,以全钒液流电池为全文的主要研究对象。对双极板流场结构的形状设计、流场配置的研究现状、流道结构几何参数优化建模仿真以及基于遗传算法进行结构优化的研究现状进行了概述,从而引出本文的研究方向与研究目标。(2)建立了正极半电池数学模型,将流体力学与电化学反应进行耦合,以反应流体的流动情况与物质的反应变化。其次,建立了单电池的三维多物理场模型,能更加详细地了解电解质在流道、多孔电极和膜中流动。总结了研究中涉及到的电池性能评价方程。这为第三、四章节中数值仿真与实验结果提供了理论基础。(3)分析了三种不同流道截面的电池性能的敏感性,得出梯形-Tri截面的压降最低(13.5%),电压损失最小并且流速均匀且较快。基于半电池的模型模拟了8种梯形流道截面与矩形流道截面做对比,通过电池性能敏感性分析得出TCS-T06为最佳研究对象，并且得出梯形截面上边界尺寸越大,压降将越高,造成的系统损耗会越严重。(4)研究分析了TCS-T06与RCS在三维多物理场模型中的单电池性能,对比研究得出TCS-T06比RCS压降低13.73%,造成的泵损低13.8%,且滞留区面积小,电解质分布更均匀,表现性能更优异。并利用NSGA-Ⅱ算法改进了步进试错的效率,得出了优化结构,为仿真结果提供了验证条件。(5)搭建了实验验证平台,针对电流密度、流量变化以及充放时长设计了不同的实验方案,从而证明仿真结果的正确性。通过不同电流密度实验方案,在非对称电流密度实验条件下得出TCS-T06的EE要比RCS高约6.8%;在高低SOC实验中得出TCS-T06与传统RCS相比,分别展现出高达6.2%和4.5%的电压效率提升(基于泵功率),以及更高的放电电压和更低的压降与泵功耗。其次,在变流量充放实验中,TCS-T06的充放电容量都显著高于RCS,且在最佳的流量运行区间中TCS-T06的VE比RCS高约3.2%-4.2%,EE也整体偏高。此外,在搁置时长与长时循环实验中,TCS-T06的容量、极化损失、容量衰减率都优于RCS。

关键词：全钒液流电池梯形截面流道 NSGA-Ⅱ遗传算法非对称电流密度 SOC性能探究

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