全钒液流电池流场结构优化及催化剂原位电沉积研究
风能和太阳能等可再生能源的广泛利用受间歇性的限制，这需要大规模的能量储存系统来稳定可再生能源的输出功率。全钒液流电池（VRFB）具有效率高、循环寿命长、安全性好等独特优势，是目前最有前途的大规模储能技术之一。在过去的十几年里，研究者们从电极预处理方式、新型催化剂、流场设计和可替代隔膜等方面对全钒液流电池的性能进行大量研究。一方面，传统的全钒液流电池堆采用贯流式结构和较厚的碳毡电极，以减轻压降和泵送损失，但不幸的是，这将导致电池堆较大的体积以及高成本的问题。另一方面，V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化还原电对的缓慢动力学仍然是全钒液流电池的性能瓶颈之一。尽管，已有研究表明铋催化剂对V(Ⅱ)/V(Ⅲ)具有较高的催化活性，但影响原位铋催化剂电沉积过程的关键因素如Bi3+初始浓度、电沉积电流密度、以及电沉积方式尚未得到全面研究。鉴于此，本文围绕大面积全钒液流电池流道间距优化和表面催化剂两个关键问题展开研究。 首先，本文对基于电极活性面积为400cm2的叉指型流场流动模型在不同流道间距下进行了CFD模拟。分析了叉指型流场内速度和压力分布，电池内电解液流速和流道间距对压降和泵功的影响。研究表明，适当增加分支流道的长度，可以减少流动死区，从而提高多孔电极的利用率。在流道间距为26mm，比流量为1mLmin-1cm-2时，限流通道中的压降占总压降的15.4%，并且随着比流量的增加，占比也在增长，因此，限流通道中的压降不可忽略。另外，在等泵功条件，综合考虑传质系数与活性物质浓度的影响，可以得到最优的流道间距。 其次，为验证模拟结果的准确性，对具有代表性的单元电池进行实验测试，以综合评价其在不同运行电流密度、流速和流道间距下的电化学性能。研究表明，在同一流道间距下，随着电解液比流量的增加，VEpump先升高后降低。并且，提高运行电流密度，VEpump最大值对应的比流量也相应增加。在不同组合的流道间距和比流量下，通过合理的调整比流量，流道间距存在一个最优值。在流道间距为26mm，比流量为1mLmin-1cm-2，运行电流密度为160mAcm-2时，VEpump最高为85.56%。 最后，本文全面研究了Bi3+担载量、初始浓度、电沉积电流密度和电沉积方式对催化剂分布、催化剂形貌和电池性能的影响，并探讨了原位电沉积过程的机理。研究发现，在不同Bi3+初始浓度下，最佳电沉积电流密度与理论极限电流密度的比值始终保持在50%左右。为解决全钒液流电池原位催化剂电沉积过程中电沉积电流密度与催化剂分布之间的矛盾，提出了间歇式催化剂电沉积方法。结果表明，原位间歇电沉积催化剂有效地改善了铋催化剂在多孔电极内的分布均匀性。基于间歇式催化剂电沉积的全钒液流电池在高工作电流密度为320mAcm-2，比流量为1.5mLmin-1cm-2下运行时，电压效率可达85.4%。
全钒液流电池;叉指型流场;催化剂原位电沉积;间歇电沉积;传质特性
西南交通大学
硕士
动力机械及工程
曾义凯
2021
中文
TM911
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）