基于场协同理论的全钒液流电池的传递过程强化过程研究

The transfer behaviors are very complex in the all vanadium redox battery during operation. The research groups try to improve the transfer process by exposing the system to the magnetic field and investigating the transport phenomena occuring in the battery by using the transfer enhancement approach based on field synergy.The research will discuss the relationships between transport phenomena and applied external fields.The influence of the operating conditions including the electrolyte concentration, species, flow rates, temperature and cycle times, on the performance and transport mechanism. The polarization loss, the dynamic transport characteristics and the electrode process will be discussed in detail as well.A model will be established to decribe the transport behaviors and analyze the interaction between the inner physical field and applied external magnetic field during the charge and discharge operation by using the theroy development, mathmatical model, experimental measurement and computational fluid dynamics methode.

强化传递过程是全钒液流电池性能提高的关键。课题基于场协同理论考察电磁场对于电化学过程的强化作用，研究多物理场内电池内部的传递行为和耦合场的场协同作用对于传递过程强化作用，同时探明强化传递场协同对电池性能的影响。对不同的电解质溶液浓度、组分、流速、温度、循环次数下不同电磁场强度及方向对电池性能及多孔介质及电解质膜内的传递机理进行研究，考察上述的实验条件下对电池极化损失、传递动力学特征和相应的电极过程的影响。建立相关的数学模型对电解质溶液的传递行为进行描述。采用理论推导、相关数学模型的建立、实验在线测定相应模型参数和计算流体力学模拟结合的方法，以期获得全钒液流电池在充放电和自放电过程中内外场相互作用下内部的离子迁移和过程动力学的规律，为电池系统的开发建立提供理论基础。

全钒液流电池储能技术是一种新型的高效电化学储能技术，与其他储能电池相比，它具有能量转换效率高、蓄电容量大、系统设计灵活、可靠性高、可深度充放电等一系列优点，被认为是最有前景的储能技术。本项目的主要研究工作集中在以下几个方面： （1）研究了电极各区域离子扩散动力学过程及相关参数在电池中的分布关系。在不同的电极区域考察了不同荷电状态下，不同电解质溶剂类型、电解液流速、钒离子浓度、溶剂相粘度、温度场等因素对电极传递行为的影响规律与作用机理，分析充放电过程正负极离子浓度分布的动态变化。（2）通过外加电场和磁场的方法研究协同场下阴极和阳极钒离子在Nafion117膜中的传递过程，定义了电场因子St用来衡量外在电场和磁场对于传递过程的影响程度。（3）对极化分布从实验和模型两个角度做了进一步的探索，实验方面考察了全钒液流电池极化电压随着电解液流率的变化趋势，在模型方面，建立并验证了一个二维模型，同时利用该模型对电池的浓度分布及极化损失分布做了较为全面的探索。研究结果表明：电解液浓度对于活化极化超电势和浓差极化超电势都能起到降低的作用，而温度和电解液流速对于活化超电势降低的程度更为明显。对于特定的电极区域，浓差极化系数逐渐增大，物质的传递影响也越来越显著。不同的电磁场加载方向和电磁场强度对各项电化学性能有着显著的影响，使之成为一种改善电池性能的强有力的手段。本研究是基于场协同理论基础开展的探索性的研究工作，传递过程的强化是过程工业的基础和灵魂，通过外加场强化传质对于包括液流电池在内的很多过程设备都具有潜在的应用价值和可靠的可操作性。