全釩液流電池結構設計與數(shù)值模擬及在高性能電堆設計中的應用研究.pdf

1、博士學位論文全釩液流電池結構設計與數(shù)值模擬及在高性能電堆設計中的應用研究ResearChOntheStructureDeSignandNumeriCalSimuIatiOn0fVanadiumFIOwBatterieSaIOngwiththeAppIicationsinHighPerfOrmanceStackDesign作者姓名：鄭瓊學號：11207105指導教師：張華民研究員寧桂玲教授丁任對獄便學科、專業(yè)：化學工程與技術答辯日期：20

2、15年10月19日大連理工大學DalianUIliversityofTechnology大連理工大學博士學位論文降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)運行可靠性，是推進全釩液流電池技術產(chǎn)業(yè)化進程的關鍵。優(yōu)化電池電堆結構是高電流密度下減小濃差極化、提高濃差極化均勻性，進而降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。將數(shù)值模擬計算分析和電池性能實驗驗證相結合，可以有效地指導電池電堆結構的優(yōu)化與創(chuàng)新。目前相關研究主要集中在采用單一流動過程的數(shù)學模型模擬指導結構設

3、計，可以降低濃差極化，提高其分布均勻性，但缺乏有力的實驗驗證；實際上，全釩液流電池是一個涉及多物理場耦合過程的反應器，需要建立科學可靠的多物理場耦合微觀模型準確模擬電解液流動、傳質(zhì)、傳熱等過程；在掌握濃差極化調(diào)控機制的基礎上，結合可靠的電池性能實驗驗證，提出科學有效的結構設計優(yōu)化策略及方法，實現(xiàn)其工程應用價值。鑒于此，本論文開展了以下工作：通過充放電性能測試、極化曲線測試方法對液流電池性能評價的一致性與差異的比較，確立了充放電性能測試方

4、法是科學有效的液流電池性能評價方法。在現(xiàn)有的二維半電池等溫模型基礎上，加入能量守恒方程，建立了多物理場耦合的三維非等溫全電池模型；通過數(shù)值模擬，考察了電池內(nèi)熱量傳遞與溫度分布特性，提出了調(diào)控負極在放電過程中的溫度均勻性是關鍵，合理地降低電極孔隙率或增加電解液流量可以提高溫度分布均勻性的溫度控制策略。以液相傳質(zhì)的數(shù)值模擬計算結果指導電池結構設計，確立了改善濃差極化的調(diào)控策略：在不增加流動阻力的前提下，短流程平推流電池結構可以顯著提高電解液

5、的流動均勻性，可以在提高濃差極化分布均勻性的同時降低濃差極化。建立了以數(shù)值模擬計算與電池性能實驗驗證相結合、以濃差極化調(diào)控策略為指導的電池電堆結構設計策略，成功地設計并組裝了2kW級和30kW級高性能液流電池電堆，其中2kW級電池電堆在保持能量效率不低于80％的條件下，工作電流密度由80InAcm。2提高至160mAcm2，電解液利用率超過55％；30kW級電堆在130mAcm。2的工作電流密度下能量效率為808％，電解液利用率為531

6、％，大幅度提高了電堆的功率密度，降低了材料使用量，從而降低了系統(tǒng)成本。驗證了所建電池電堆結構設計策略的可行性與有效性，實現(xiàn)了電池電堆結構設計在工程中的應用價值。在方形平推流液流電池結構的基礎上，創(chuàng)新性地提出了環(huán)形液流電池結構，充放電性能實驗結果表明：環(huán)形液流電池有效地改善了液相傳質(zhì)，降低了濃差極化，其性能優(yōu)勢在高工作電流密度或充放電末期更加顯著。這為進一步提高電池性能、降低系統(tǒng)成本提供了有效指導。關鍵詞：全釩液流電池；結構設計與優(yōu)化；濃