全钒液流电池电化学极化理论研究.pdf

评論20162第28卷Vol288第10明
DONGFANG ELECTRIC REVIEW
全斜寂流池电但但理论研究
周正殷聪房红琳
东方电气集团中央研究院,成都611731
摘要:以全钒液流电池电化学反应机理为基础,建立了电池二维数值模型,并应用此模型研究了电解液钒离子浓度、充
放电电流密度以及碳毡孔隙对电极极化行为的影响。结果表明,电极孔隙率不仅影响电极极化电压分布,而且也是决定
电池充放电性能的重要因素之
关键词:全钒液流电池;二维數值模型;极化电压;电权孔隙率
中图分类号:TM911;0646
文献标识码:A
文章编号:1001-9006(2014)02-0001-07
The Study on Electrochemical Polarization of Vanadium
Redox Flow Battery
ZHOU Zheng, YIN Cong, FANG Honglin
Central Research Academy of DEC, 611731, Chengdu, China)
Abstract: In this paper, the two-dimensional numerical model of Vanadium Redox Flow Baltery(RFB) is established based on the
electrochemical reaction mechanism. Voltage polarization of the electrode is studied with various electrolyte ionic concentrations
current densities and electrode( carbon felt porosities. Results show that electrode porosity is a key factor determining both voltage
polarization distribution pattern and VRFB'S energy efficiency.
Key words: vanadium redox flow battery: two-dimensional numerical model; voltage polarization; electrode porosity
目前,国内外有多家科研院所通过不同的理
论模型研究了钒电池内部反应过程。A.A.Sha)1理论模型
等人通过数值计算方法,对钒电池充放电反应瞬
如图1所示,钒电池储能系统的组成主要包括
态过程建立零维数学模型,模拟了电池在不同初电池堆、储液罐、液体泵、充电电源以及放电负
始电解液浓度条件下的充放电行为。F.C. Walsh21载等。电解液一般为钒的硫酸盐和硫酸背景电解
等人建立了钒电池的二维瞬态数值计算模型,研质组成的混合溶液。钒电池利用4种不同价态钒离
究了操作条件对钒电池充放电特性的影响。D.子之间的氧化还原反应实现能量转換和利用,其
You等人通过二维稳态模型研究不同电解液荷电反应化学方程式如下所示
状态条件下的电极极化规律。
正极:VO2-+H20=VO2'+2H'+e-(1)
本文建立了钒电池二维稳态模型,研究电极
负极:V+e-マ→V2
(2)
内部离子浓度、极化电压与转移电流密度的分布
本文以电极、离子交换膜与电解液等关键部
情况,以及操作条件与电极材料性质对充放电性件组成的充放电核心反应区作为研究对象建立
能的影响,并通过分析不同操作条件与电极孔隙维稳态模型,如图2所示。其中,多孔电极的几何
率参数下电池性能的变化趋势,优化钒电池的设参数为:x1=3m,x2=3.125mm,x,=6.125
计与控制。
1 =2 cm
收稿日期:2014-01-10
作者简介:周正(1986-)、男,2012年7月毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业毕业,工学硕士。现在东方电气中央研究院从
事燃料电池和钒电池研开发工作。
ま来か诉論20m2第28VOl.28总第11期
DONGFANG ELECTRIC RE
电源/负载
其中S,为组份i离子浓度方程中的源项,其具
体表达式详见表1,并分别用Ⅱ、Ⅲ、、V表示
VO、VO离子
表1离子浓度方程中源项的表达式
正极储
集流器正极?负极集流器
负极
源项表达式
液罐
换
储液罐
源项
组份
摸
正极
负极
图1钒电池储能系统示意图
H
2V?i1/F
正极电解液出口
负极电解液出口
电解液中离子组分的传质作用包括扩散、迁
移、对流3种形式。这里忽略电迁移作用,可将离
子传输通量N表示为:
多孔活
性碳毡⊙
D. Vc +ivo
(4)
其中c为电解液中组分i的摩尔浓度,表示
电解液的流速,D“为组分i在多孔电极中的扩散
电解
e
系数
D由 Bruggemann 1修正方程表示:
应(
D,是组分i在自由空间中的扩散系数,s为多
孔电极的孔隙率。
正极电解液进口
负极电解液进口
z通过达西公式进行计算
d
图2正负电极以及离子交换膜的工作原理图
6
模型假设条件
P为电解液的流体压力,以为电解液的动力粘
在不影响计算精度的前提下,对理论模型作度,d,为多孔电极的平均纤维直径,K为卡曼常
如下假设以提高计算效率
数。由于假设电解液为稀溶液,因此粘性系数心为
(1)电解液为稀溶液;
常数。
2)电解液为不可压缩流体;
由于假定电解液为不可压缩流体,可得连续
(3)忽略析氢析氧等充电副反应;
性方程:
(4)H为离子交换膜中唯一的一类载流子;
?=0
5)忽略温度对充放电反应速率的影响;
根据公式(6)和(7),可推导出压力p的求解
(6)忽略重力影响;
方程:
(7)H'浓度较大,因此忽略H2O的解离过程,
VD=0
(8
即电解液中不存在OH离子。
E
1.2控制方程
根据电荷守恒原理,电解液电势方程与多孔
平衡状态下,电解液中组分的质量守恒方电极电势方程分別如下
程为