comsol的液流电池极板上的电流分布(附件)【字数：10665】
摘 要摘 要社会在发展，人们对电能的需求也越来越大，风能、太阳能等一系列可再生能源的发展和应用得到了大家越来越多的重视，所以，我们需要大规模的储能技术以解决风能、太阳能等可再生能源的不连续性、不稳定性、不可控性等非稳态特性。氧化还原液流电池是通过电解质溶液中的活性物质发生可逆氧化还原反应即通过价态的可逆变化来实现化学能和电能之间的转化，以及实现电能的大规模存储和释放。本文建立了锌镍单液流电池的三维稳态模型，该模型的建立基于复杂的物理化学现象，考虑电解质溶液的传质影响以及极板上的电化学反应过程，其中所涉及到的方程有质量、动量、电荷方程并耦合了反应动力学方程。通过对锌镍单液流电池极板上的电化学反应以及电解质溶液的传质进行理论分析，计算锌镍单液流电池极板上的电流分布，通过分析流场、浓度场、电流密度分布等，得到如下结果在电化学反应过程下，液相传质过程中锌酸根离子影响远大于氢氧根离子的。同时，在使用圆角、倒角等非尖锐的物理结构的条件下，可以有效降低电流集聚。关键字锌镍液流电池；极板；电流密度分布
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 液流电池的概述 1
1.2.1 液流电池的发展及分类 1
1.2.2 液流电池的工作原理 4
1.3 锌镍单液流电池的概述 5
1.3.1 锌镍单液流电池的工作原理 5
1.3.2 锌镍单液流电池的镍电极和锌负极 6
1.3.3 锌镍单液流电池的电解液 7
1.3.4 锌镍单液流电池的特点 7
1.4 本课题的研究任务 8
第二章 锌镍单液流电池物理模型建立 9
2.1软件介绍 9
2.2 基本假设和几何模型的建立 9
2.2.1 建立锌镍单液流电池的几何模型 9
2.2物理模型的建立 14
第三章 锌镍单液流电池数学模型建立 19
3.1 数学模型和方程 19
3.1.1 流动与传质方程 19
3.1.2 电荷守恒方程 19
3.1.3 反应动力学方程 20
3.1.4 边界和初始条件 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.2 网格划分 21
第四章 模拟结果及分析 24
4.1 分段求解 24
4.2 结果分析 28
4.2.1 速度分析 28
4.2.2 压力分析 29
4.2.3 电解质电势分析 30
4.2.4 浓度分析 31
4.2.5 电流密度分布 34
4.3 结论 35
第五章 总结与展望 36
5.1总结 36
5.2展望 36
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
电能是社会经济发展中不可缺少的能源，我们通过消耗大量的化石能源来获得电能，但随之，化石能源日益枯竭，环境问题日益凸显。为了社会的可持续发展和环境保护，实现我国低碳经济，我们需要开发及推广太阳能、风能等一系列可再生能源 [1]。然而，可再生能源具有不连续性，不稳定性，不可控性等一系列非稳态特性，大规模储能技术是解决可再生能源非稳态特性的一个有效方法，可以满足持续、稳定、可控的能源需求[2]。可以利用大规模储能技术来满足没有太阳光，没有风量的供电或者解决电网调峰的问题，电力缺乏时，并网发电，充分利用在电量有富余的时候储存起来的电量[3]。传统的化学蓄电池虽然可以分散布置，不受地理位置的限制，但是具有能源密度和储电效率低，经济性差，不适合大型化等缺点[4]。从上世纪七十年代的时候提出了氧化还原液流电池的概念，并且至今已有了很大的发展。氧化还原液流电池可以调峰电网，被积极研发出来的电池体系，同时作为超级大容量的储能液流电池，可以与风力发电机或者太阳能电池相配套，这些风力发电机和太阳能电池中的功效可以达到中等以上。防化研究院通过综合分析传统锌镍电池的优缺点以及单液流铅酸电池的特点后，提出了锌镍单液流电池（zincnickel single flow battery，ZNB）[5]，对锌镍氧化还原单液流电池的研究主要是以实验的方法研究它的物理化学上的特性 [67]，很少采用数值模拟的方法对锌镍氧化还原液流电池内部的物理场进行研究。
本文旨在研究锌镍氧化还原液流电池在考虑电解液传质的影响和极板上的电化学反应的作用下，通过分析极板上的电流分布情况，寻找极耳的优化方案，减少或解决极化现象。
1.2 液流电池的概述
1.2.1 液流电池的发展及分类
七十年代中期，氧化还原液流电池的实际应用研究随着能源危机的爆发首先开始于Lewis研究中心，作为一种新型的电化学储能电池，正极的活性物质是金属离子的氧化体，负极的活性物质是金属离子的还原体，在电解液中溶解并储藏着正、负极的活性物质，电池的正极室和负极室供液发电是通过外部的储液槽来进行的。1974年的时候，自Thaller提出了Fe/Cr氧化还原液流电池模型后它一直是液流电池的研究的热点[8]。
自1980年以来，Fe/Cr氧化还原液流电池也被日本的Agency of Industrial Science和the New Energy Development Organization(NEDO)投资开发了。后来这个项目作为日本“月光计划”的一部分被Mitsui Engineering and shipbuilding公司所承担，这个项目的最终目标是：截止至 1991年年底，验证Fe/Cr液流电池在实际应用中的可行性，通过装备一个1MW/8MWh具备70%的ACAC能量转换效率和1500次循环寿命的高能储能实验电站。
20世纪七八十年代的时候，Zn/Br2二次电池作为流动电解液式电池开始被设计。由于两种电解液被隔膜分隔，对隔膜的要求较高，需要具有较高的选择透过性，同时为了克服正、负极电解液间不同元素的交叉污染，采用正、负极同元素电对的离子变价体系。1981年，L. W. Hruska等提出了全铁电池的概念。
全钒氧化还原液流电池的概念被M.Skyllas kazacos在1984年的时候提出。1985年的时候，E.Sum.等人首先对V2+/V3+和V4+/V5+氧化还原电对在玻碳电极上的电化学行为进行了研究。经过多年的发展，在国外的研究中全钒液流电池的各项技术已经日趋成熟[13]。全钒液流电池是目前技术上最为成熟的液流电池，是迄今为止唯一在风能发电调幅、调频和平滑输出并网应用领域，经过3年示范应用的兆瓦以上级电化学储能电池系统，目前已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。
美国的Institute of Gas Technology在1984年的时候研发了多硫化钠/溴液流电池(PSB)。90年代初的时候，PSB液流电池被英国的Innogy公司开发了，处于放电状态的时候，正极活性物质为溴化钠，负极为四硫化钠[9]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 液流电池的概述 1
1.2.1 液流电池的发展及分类 1
1.2.2 液流电池的工作原理 4
1.3 锌镍单液流电池的概述 5
1.3.1 锌镍单液流电池的工作原理 5
1.3.2 锌镍单液流电池的镍电极和锌负极 6
1.3.3 锌镍单液流电池的电解液 7
1.3.4 锌镍单液流电池的特点 7
1.4 本课题的研究任务 8
第二章 锌镍单液流电池物理模型建立 9
2.1软件介绍 9
2.2 基本假设和几何模型的建立 9
2.2.1 建立锌镍单液流电池的几何模型 9
2.2物理模型的建立 14
第三章 锌镍单液流电池数学模型建立 19
3.1 数学模型和方程 19
3.1.1 流动与传质方程 19
3.1.2 电荷守恒方程 19
3.1.3 反应动力学方程 20
3.1.4 边界和初始条件 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.2 网格划分 21
第四章 模拟结果及分析 24
4.1 分段求解 24
4.2 结果分析 28
4.2.1 速度分析 28
4.2.2 压力分析 29
4.2.3 电解质电势分析 30
4.2.4 浓度分析 31
4.2.5 电流密度分布 34
4.3 结论 35
第五章 总结与展望 36
5.1总结 36
5.2展望 36
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
电能是社会经济发展中不可缺少的能源，我们通过消耗大量的化石能源来获得电能，但随之，化石能源日益枯竭，环境问题日益凸显。为了社会的可持续发展和环境保护，实现我国低碳经济，我们需要开发及推广太阳能、风能等一系列可再生能源 [1]。然而，可再生能源具有不连续性，不稳定性，不可控性等一系列非稳态特性，大规模储能技术是解决可再生能源非稳态特性的一个有效方法，可以满足持续、稳定、可控的能源需求[2]。可以利用大规模储能技术来满足没有太阳光，没有风量的供电或者解决电网调峰的问题，电力缺乏时，并网发电，充分利用在电量有富余的时候储存起来的电量[3]。传统的化学蓄电池虽然可以分散布置，不受地理位置的限制，但是具有能源密度和储电效率低，经济性差，不适合大型化等缺点[4]。从上世纪七十年代的时候提出了氧化还原液流电池的概念，并且至今已有了很大的发展。氧化还原液流电池可以调峰电网，被积极研发出来的电池体系，同时作为超级大容量的储能液流电池，可以与风力发电机或者太阳能电池相配套，这些风力发电机和太阳能电池中的功效可以达到中等以上。防化研究院通过综合分析传统锌镍电池的优缺点以及单液流铅酸电池的特点后，提出了锌镍单液流电池（zincnickel single flow battery，ZNB）[5]，对锌镍氧化还原单液流电池的研究主要是以实验的方法研究它的物理化学上的特性 [67]，很少采用数值模拟的方法对锌镍氧化还原液流电池内部的物理场进行研究。
本文旨在研究锌镍氧化还原液流电池在考虑电解液传质的影响和极板上的电化学反应的作用下，通过分析极板上的电流分布情况，寻找极耳的优化方案，减少或解决极化现象。
1.2 液流电池的概述
1.2.1 液流电池的发展及分类
七十年代中期，氧化还原液流电池的实际应用研究随着能源危机的爆发首先开始于Lewis研究中心，作为一种新型的电化学储能电池，正极的活性物质是金属离子的氧化体，负极的活性物质是金属离子的还原体，在电解液中溶解并储藏着正、负极的活性物质，电池的正极室和负极室供液发电是通过外部的储液槽来进行的。1974年的时候，自Thaller提出了Fe/Cr氧化还原液流电池模型后它一直是液流电池的研究的热点[8]。
自1980年以来，Fe/Cr氧化还原液流电池也被日本的Agency of Industrial Science和the New Energy Development Organization(NEDO)投资开发了。后来这个项目作为日本“月光计划”的一部分被Mitsui Engineering and shipbuilding公司所承担，这个项目的最终目标是：截止至 1991年年底，验证Fe/Cr液流电池在实际应用中的可行性，通过装备一个1MW/8MWh具备70%的ACAC能量转换效率和1500次循环寿命的高能储能实验电站。
20世纪七八十年代的时候，Zn/Br2二次电池作为流动电解液式电池开始被设计。由于两种电解液被隔膜分隔，对隔膜的要求较高，需要具有较高的选择透过性，同时为了克服正、负极电解液间不同元素的交叉污染，采用正、负极同元素电对的离子变价体系。1981年，L. W. Hruska等提出了全铁电池的概念。
全钒氧化还原液流电池的概念被M.Skyllas kazacos在1984年的时候提出。1985年的时候，E.Sum.等人首先对V2+/V3+和V4+/V5+氧化还原电对在玻碳电极上的电化学行为进行了研究。经过多年的发展，在国外的研究中全钒液流电池的各项技术已经日趋成熟[13]。全钒液流电池是目前技术上最为成熟的液流电池，是迄今为止唯一在风能发电调幅、调频和平滑输出并网应用领域，经过3年示范应用的兆瓦以上级电化学储能电池系统，目前已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。
美国的Institute of Gas Technology在1984年的时候研发了多硫化钠/溴液流电池(PSB)。90年代初的时候，PSB液流电池被英国的Innogy公司开发了，处于放电状态的时候，正极活性物质为溴化钠，负极为四硫化钠[9]。
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