全钒液流电池电流密度分布特性及其调控机制的研究

The large-scale efficient energy storage technology is the key technology to solve the problem of unsteady characteristics of renewable energy sources such as wind power and solar energy. Vanadium flow battery(VFB) is one of the preferred techniques for large-scale efficient energy storage. The development of a high-power stack is an inevitable demand. The project will focus on the performance of stacks decline when stacks enlarged, which is due to the deviation from optimal value of current density and uneven distribution of current density. By adopting the combination of a more detailed model and a test method which is suitable for measurement of VFB current density distribution, the project will systematically study the coupling relationship between cell structure, mass-transfer process, heat-transfer process, electrochemical reactions and flow in porous electrode. The effects of different facts on the distribution of current density will be revealed. In order to optimize the value and distribution uniformity of current density, a optimization model will be established based on regulatory mechanism of current density and its distribution uniformity. The method will provide strong theory support for VFB high-powre stack design and accelerate the industrialization process.

大规模高效储能是风能、太阳能等可再生能源普及应用的瓶颈技术。全钒液流电池作为大规模高效储能的首选技术之一，大功率电堆开发是一种必然需求。本项目针对电堆在放大过程中电流密度偏离最优值，电流密度分布不均匀加剧所导致的电堆性能下降问题，通过将考虑离子交换膜中离子迁移的三维、瞬态、非等温的全电池结构数学模型和适用于测试全钒液流电池电流密度分布的实验方法相结合，系统的研究电池结构、传质、传热、电化学反应以及多孔电极内流体流动等过程及其耦合作用关系，揭示电流密度的分布特性及影响因素对电流密度分布特性的影响规律,阐明电流密度及其分布均匀性的调控机制，实现对电流密度及其分布均匀性的优化，提出优化设计方法，为电堆放大设计提供理论指导，加快全钒液流电池的产业化进程。

全钒液流储能电池技术是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统不连续、不稳定特征的关键技术，是构建智能电网，提高电能利用率的重要手段。为满足大规模储能的技术需要，开发低成本的高性能大功率、高功率密度电堆是核心。本项目针对电池放大过程中的电流密度分布不均匀导致的性能下降，电池成本过高的问题，通过模拟仿真与实验相结合的方法，研究了电池放大过程中流道结构、流量、孔隙率、电流等影响因素对电流密度分布及其均匀性的影响规律，获得了主要影响因素：孔隙率在多次充放电循环过程中对电流密度分布均匀性的影响规律。提出以方差的方法量化电流密度分布均匀性，为分布均匀性的比较提供了依据。初步探索了电池放大条件下的电流密度分布均匀性的调控机制。要保持放大条件下电流密度分布均匀性不降低，电池结构的优化是主要的研究方向。所建模型应用于电池的极化分析中，获得了电极压缩比与欧姆极化、电化学极化、浓差极化以及电池性能之间的关系，对电池在不同运行条件获得最优性能时的压缩比设计具有直接的指导意义。通过结构优化实现对电池浓差极化的控制，提出了创新性的梯形结构电池。所组装的电堆在能量效率和电解液利用率上超过同规格商业化电堆。初步探索出了大功率、高功率密度电堆的设计方法。基于此开发的全钒液流电池电堆在恒流充放电模式下的能量效率＞82%，工作电流密度达到180mA/cm2；在恒功率充放电模式下，输出功率6kW，能量效率＞80%，平均工作电流密度227mA/cm2。. 通过本项目的实施，获得了电池的低损放大的设计方法，解决电池放大过程中电流密度分布调控和极化调控的科学问题，开发出的高性能电堆的功率密度相比商业化电堆提高50%，材料成本下降约45%。大幅降低了全钒液流电池成本，为我国大规模高效液流电池储能技术的工程化、产业化发展奠定了技术基础、提供了科学依据。