全钒液流电池电极传质分析及其性能试验

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文全钒液流电池电极传质分析及其性能试验作者姓名：喻明富入学年份：2013年9月指导教师：孙红教授学科领域：机械工程（专业学位）申请学位：工程硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：赵进答辩委员会组成：赵进张珂万晔陈士忠安东论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要I摘要全钒液流电池（All-VanadiumRedoxFlowBattery，简称VRB）是一种新型、

2、大规模储能电池，具有寿命长、效率高、容量大等优点，可广泛应用于太阳能发电、风能发电、UPS系统、远程供电、海岛供电等领域。目前为止，全钒液流电池因能量密度低、对环境温度要求高等限制而没有得到广泛运用。改善极化现象和电化学反应过程是提高电池能量密度的有效方法；改善传质过程可以有效地控制工作过程中电池温度的升高。本文在前人研究的基础上通过试验和数值模拟研究全钒液流电池充电特性、放电特性和电极内传质规律。本文阅读了大量有关液流电池的文献，总结归纳了液流电池发展历史和整体研究现状，概述了全钒液流电池的结构及

3、其作用，重点阐述了全钒液流电池在电极上的反应原理、各部件的研究进程、传热传质的研究现状等。论文介绍了全钒液流电池在研究过程中使用的电化学热力学和电极过程动力学等基础理论。搭建了全钒液流电池测试平台，它包括充电器、管路系统、电子负载、电解液储液罐、微流量泵、电池监测系统、计算机管理系统和软件系统。加工制造了全钒液流电池，包括流场板、石墨毡扩散层、质子交换膜、电流收集板和夹板等。对试验平台进行了调试试验，并获得了测试平台试验操作程序与注意事项。采用搭建的试验平台，测试了全钒液流电池的充电特性、放电特性和

4、交流阻抗特性；分析了电流密度、电解液浓度和电解液流量对电池的充电特性、放电特性、电压效率、库伦效率和能量效率的影响。根据交流阻抗图谱，采用等效电路法，获得了全钒液流电池内部等效电路元件，绘制了全钒液流电池内部阻抗电路图，讨论了电流密度、电解液浓度和电解液流量对电路中各个等效阻抗元素的影响。研究发现：增大电流密度和电解液浓度，有利于缩短充、放电时间和提高效率；全钒液流电池正极法拉第阻抗比负极法拉第阻抗大；增大电流密度，正、负极法拉第阻抗降低，但欧姆阻抗几乎不变；增大电解液浓度，欧姆阻抗和正、负极法拉第

5、阻抗都增大。基于流体动力学、传质学和电化学原理，根据全钒液流电池内物质传递和几何模型的需要，建立了三维、单相模型来模拟研究全钒液流电池电极内的传质规律和物质分布。模型耦合了质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分方程、质子交换膜内传质方程、电极电化学方程等，并给出了模型计算的边界条件。应用建立的模型，模拟分析了全钒液流电池正极和负极内的传质规律和各种组分的分布规律，分析了电解液流量、电解液浓度和电池温度对传质过程及VO2+、VO+3+2+2、V、V分布规律的影响。研究发现：石墨毡的孔隙率对钒离

6、子在电极中分布和传质起到关键作用，温度因影响钒离子黏度而影响其传质过程。关键词：全钒液流电池；交流阻抗；充放电特性；能量效率；传质II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractAll-Vanadiumredoxflowbatteries(VRB)isamassiveinnovativeenergystoragebatterieswithadvantagesoflongservicelife,highefficiency,largecapacitywhichcanb

7、ewidelyusedinthefieldsofsolarpower,windpower,UPSsystem,remotepowersupplyapplication,islandapplication,etc.Sofar,VRBcannotbeappliedwidelybecauseoflowenergydensityandhighrequirementfortheambienttemperature.Improvingpolarizationandelectrochemicalreactionp

8、rocessarethewaysofenhancingbatteryenergydensity;improvingmasstransferprocesscancontrolthebatterytemperatureriseofitsworkingprocesseffectively.TheVRBcharginganddischargingcharacteristicsandelectrodemasstransferruleswerestudiedonthebasiso