氫溴液流電池高電密充放電過程的多相多組分傳輸現象

《氫溴液流電池高電密充放電過程的多相多組分傳輸現象》是依託上海交通大學，由葉強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氫溴液流電池高電密充放電過程的多相多組分傳輸現象
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：葉強
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

針對氫溴液流電池高電密充放電過程的多相多組分傳輸現象，運用實驗與模擬相結合的方法研究如下內容：（1）電流方向與電極浸潤特性等參數對高電密氫電極內多相水分布與平衡的影響。（2）正極氫離子、多種溴離子和溴分子的多組分平衡與傳輸問題。（3）溴與氫溴酸在固態電解質內的傳輸及其對溴穿透和水平衡的影響（4）恆流及恆壓條件下，局部反應物缺乏導致的寄生反應以及正負極腐蝕現象。..上述研究內容的主要目的和意義表現在：（1）掌握多孔氫電極析氫與氫氧化反應過程非穩態水傳輸的規律，提高負極的充放電效率以及充放電切換能力。（2）闡明正極液中離子平衡、電滲與擴散的耦合關係，為溶液選配、充放電深度設計及建模奠定理論基礎。（3）掌握質子交換膜處於不同充放電深度的電解液中溶解水及離子含量，降低溴穿透與膜電阻。（4）明確局部反應物不足時各類寄生反應發生的閾值條件與速率，獲得電池運行異常的診斷策略，從而提高電池的壽命與安全性。

結題摘要

在大規模電能儲存與轉化過程中，液流電池憑藉其高效率、長壽命、低成本及布置靈活的特點成為最具發展潛力的技術。在液流電池的多相多組分電解質中，反應物的質量傳輸、電荷傳遞以及電化學反應之間的耦合效應異常複雜，深入理解其中的規律是電池設計的關鍵和當前的研究熱點。本課題圍繞氫溴液流電池（HBFB）和釩液流電池內具有共性的反應物分子和離子傳輸及離子電流傳導問題展開，著重研究了反應物輸運、穿透損耗、泵功損失以及旁路電流損耗等影響電池效率的相關科學和技術問題。下面將課題取得的重要成果匯總如下： (1) 我們建立了考慮電解液體相濃度與電極表面濃度差異的HBFB模型。在此基礎上將電壓損失分解成動力活化、歐姆和傳質三部分損失並進行對比研究後發現：平衡活化損失和歐姆損失存在一個最優厚度；而厚電極有助於降低傳質損失。另一個有趣的發現是: HBFB在放電過程中電壓下降相當平緩，這主要是因為產物氫離子和溴離子的增加提高了離子導電率。 (2) 依靠對稱電池實驗，探索了電解液流速對電極內傳質能力的影響。研究發現：流速低於5 mm/s時傳質損失非常顯著；當流速高於10 mm/s時，流速的影響明顯減弱；5 至10 mm/s的液流速是推薦的最佳化區間。針對大型薄片電極流場引入的需求，我們還提出了設計過程中平衡壓降、流速、均勻性及緊湊型的基本原則。 (3) 我們發現在正負極氫離子濃度不同的條件下，即使電池處於開路狀態電場作用依然存在，從而導致陽離子從氫離子濃度低的一側遷移到氫離子濃度高的一側。此發現提示我們在測量膜中離子穿透特性時保持滲析池兩側氫離子濃度一致性對測量精度的重要影響。 (4) 基於相似電路模型和行動網路模型， 我們研究了多堆液流電池中涉及旁路電流、泵功損失和緊湊性的平衡問題。首次提出了利用粗長管路同時降低旁路電流損失與泵功損失的設計原則， 並研究了系統效率與緊湊性的平衡關係。 (5) 我們在碳氈電極內兩相流動的實驗研究中發現：幾乎可以忽略的微量氣相析出會在碳氈內部積聚並達到明顯的含氣率水平，並導致非常顯著的液相滲透率的下降。對多孔電極記憶體在析氣的大型液流電池堆而言，這一發現有助於尋求最優的設計與運行策略從而保證電解液配送的均勻性和效率。 (6) 多孔電極的壓縮率及與之密切相關的滲透率在平衡電池的歐姆電阻和流動阻力方面具有重要影響。基於碳氈測試的思路與實驗，我們申請了發明專利：“壓縮率可調型多孔介質平面滲透率