全钒液流电池三维模拟.pdf

速う系诉m?7L7第0期
池三维
般聪李婷汤浩
东方电气集团中央研究院,成都611731
摘要:通过全钒液流电池三维耦合反应模型的建立,研究了三种不同电池结构设计中电解液流场分布、电压分布、电流
分布以及离子浓度分布。结果表明,电解液主管道至电极反应区横向导流槽的设计,有效提高了电池堆中电解液分配的均
一性,降低反应浓差极化,提高电池充放电效率
关键词;全钒液流电池;三维理论模拟;电池设计;浓差极化;充放电效率
中图分类号:TM911
文献标识码;A
文章编号:1001-9006(2013)04-0001-06
Three Dimensional Modeling of Vanadium Redox Flow Battery
YIN Cong, LI Ting, TANG Hao
Central Research Academy of DEC, 611731, Chengdu, China)
Abstract: A coupled three dimensional theoretical model of vanadium redox ow battery(RB) is established to simulate distribution
patterns of electrolyte fluid flow, active ions concentration, cells voltage and current during charge and discharge processes with three
different stack designs. The results showed that the design of transverse flow channel between stack manifold and its reaction zone could
improve the uniformity of the electrolyte s distribution effectively. Meanwhile, the design lowered the reaction concentration
polarization and improved batterys charge and discharge efficiency significantly
Key words: vanadium redox flow battery; three dimensional modeling: stack design; concentration polarization; energy efficiency
全钒液流电池是利用不同价态钒离子之间氧
正极集流板
化还原反应进行能量储存与利用的新型电化学电
正极电极
池-?,具有长寿命、高效率、强稳定性、环境友
好等优点,是近年来全钒液流电池大容量储能电
池研究的热点。
隔膜
全钒液流电池将正负极电解液分别存储于两
负极电极
负极集流板
个储液罐中,由耐酸液体泵驱动活性电解液至电
池堆再回至储液罐中形成循环液流回路,以实现
充放电过程(图1)。其中,电池堆作为钒电池系统
图1全钒液流电池原理示意图
的核心部件,主要由双极板、多孔电极和离子交65%~75%,其能量损耗主要由3部分组成:电池
换膜等构成,其性能优劣直接影响系统的充放电堆电压极化、电池堆漏电流以及附属部件能耗。
效率及寿命。
其中,电压极化造成的性能损失高达15%~20%,
目前,工程化钒电池系统的能量效率一般为降低电压极化可从电极材料改性、电解液性能优
收稿日期:2013-06-28
作者简介:殿聪(1986-),男,复旦大学原子与分子物理专业理学硕士毕业,四川大学高分子专业工学博士在读。现在东方电气集团中央研究
院从事燃料电池和钒电池的开发工作。
李婷(1985-),女,四川大学材料学专业毕业,工学硕士。现在东方电气集困中央研究院从事燃料电池和钒电池的开发工作。
汤浩(1964-),男,东方电气集团特聘专家,中组部“千人计划”创新型引进入オ,国家特聘专家。现任东方电气集团中央研究院研
发项目总监,从事燃料电池和储能电池技术研发工作。
变评論2012第27NL27总第109期
DON GFANGELECTRIC REVIEW
化、减小内阻以及降低浓差极化等方面进行改
电解液出口
电解液出口
电解液出口
进-。本文建立了钒电池三维耦合模型,分析
(a)
b
(e)
不同电池设计对性能的影响,并通过优化电解液
进出口导流设计,降低浓差极化,提高钒电池充
放电效率。
1理论模型
导流区域导流区域
导流区域
1.1模型几何结构
电解液进口
电解液进口
电解液进口
正负极电解液在多孔电极表面发生电化学反
(a)直流道设计(b)倒角设计(c)导流槽设计
应产生电流,电解液内活性物质的输运主要通过
图3三种全钒液流电池流场设计结构示意图
电解液在导流槽中的对流扩散与多孔电极内部的
的层流过程,以 Brinkman方程描述液体在多孔电
滲透作用来完成。电池三维模型涉及的关键部件
如图2所示,包括正负极集流板、正负极多孔电极极中的扩散过程:
p(?V)a=マ?[-PI+A(Va+(V))]+f
以及离子交换膜。模型的主要结构参数如表1
所示
其中,p为液体密度,a为液体线速度,P为
正极集流板
压强,7为温度,为体积单元的受力,以为液体动
正极电极
正极出口
态粘度。
→负极出口
pV?u=0
2)
正极进口
隔膜
描述多孔介质中液体传输过程的方程为:
负极进口一
负极电极
负极集流板
2(w:マ)2=マ?「-P+(マu+
(Va)2)
L+
图2全钒液流电池模型结构示意图
其中,为孔隙率,K为渗透率,Q为质量源。
表1电池三维模型的几何结构参数
pV?u=Q
(4)
参数/mm
数值
通过 Nernst- Planck方程描述电解液中各组分
集流板厚度
的质量守恒
电极厚度
离于交换膜厚度
+V
电极宽度
0 t
De、ミ Cg:D.V+in=R
n
电极长度
(5)
本文根据3种流场设计,分别建立了相应的电
其中,R是物质的源项,c、D,和分别为
池结构模型,如图3所示。其中,图(a)为直流道体浓度、扩散系数和离子i的电荷数,Φ为电位,
设计,电解液由左下方进入电极,由右上方流出F为法拉第常数,R为理想气体常数。
电池堆;图(b)为倒角设计,电解液通过设计倒角
根据 Butler- Volmer关系,电化学可逆反应由
的导流区域进入电极,并由对角位置流出电池;方程(6)和(7)描述,
图(c)为导流槽设计,电解液通过带有倒角的导流
槽与横向导流流道,进出电池内部的电极反应
=Fん Vccs l exp2RT
(6)
2RT
区域
1.2模型理论方程
通过 Navier- Stok