锌镍单液流电池电极多物理场耦合分析及参数优化(附件)【字数：20330】
摘 要摘 要随着现代工业的发展，对于能源的需求也在日益加大，伴随着传统化石能源的逐渐枯竭，风能、太阳能等清洁可再生能源越来越受到人们的重视。但是这种清洁可再生的能源普遍存在不连续性、不稳定性等特征，与化石能源的燃烧相比无法持续稳定地提供电能，因此迫切需要发展适宜新能源技术的大规模储能装置。氧化还原液流电池被认为是最适宜大规模储能的储能技术之一。本文以锌镍单液流电池电堆为研究对象，建立了耦合流动传质方程、电荷守恒方程、化学反应动力学方程等方程的三维仿真分析模型，描述了电堆内的流动、传热传质、组分浓度变化等物理过程。分析结果表明远离电解液入口的单电池极板间电解液流速较大,与接近电解液入口的单电池相比流速差值约为0.0006m/s，流速相差3.4%；远离电解液入口的单电池输出电压较高，与接近电解液入口的单电池相比电压提高3×10-5V；锌酸根离子液相传质对电化学反应的影响大于氢氧根离子，锌酸根离子为浓差极化的主体；单电池从入口到出口温度逐渐升高，温度差值约为2.1K；提高电解液流速或增加锌酸根离子入口浓度可以削弱锌酸根离子在负极表面的浓差极化现象。根据多物理场耦合分析，对锌镍单液流电池极耳进行参数优化，具体为位置、尺寸的优化。结果表面极耳位置应布置在靠近电解液入口处，有利于降低极耳温度，与布置在靠近电解液出口位置相比可降低极耳温度0.97K；增加极耳的长度和宽度也可以降低极耳温度，但长度即接入尺寸对其影响较大，较大长度的极耳尺寸可将极耳温度降低约0.11K。关键字锌镍单液流电池、流场、传热传质、极耳
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 液流电池研究进展 2
1.3 液流电池的分类及特点 3
1.3.1 液流电池的分类 3
1.3.2 液流电池的特点 4
1.4 几种典型的液流电池介绍 4
1.4.1 全钒氧化还原液流电池 4
1.4.2 全沉积型铅酸液流电池 6
1.5 锌镍单液流电池概述 6
1.5.1 锌镍单液流电池的工作原理 6
1.5.2 锌镍单液流电池的电极 7
1.5.3 锌镍单液流电池的电解液 8
1.5.4 锌镍单液流电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
池特点 8
1.6 本课题的研究内容 9
第二章 锌镍单液流电池分析模型的建立 10
2.1 软件介绍 10
2.2 基本假设与几何模型 11
2.3 数学模型理论分析 12
2.3.1 流动与传质方程 12
2.3.2 电荷守恒方程 13
2.3.3 反应动力学方程 13
2.3.4 能量守恒方程 14
2.4 边界条件设置与电池基本物性参数设置 15
2.4.1 边界条件与初始值 15
2.4.2 基本物性参数 16
2.5 网格划分简述 16
第三章 锌镍单液流电池数值模拟结果及分析 19
3.1 速度分析 19
3.2 组分浓度分析 22
3.2.1 氢氧根离子浓度分析 22
3.2.2 锌酸根离子浓度分析 24
3.3 电势分析 26
3.4 电流密度分析 29
3.5 传热温度分析 31
3.6 电堆内电解液流动不均对浓差极化分布的影响 32
3.7 入口浓度变化对浓差极化分布的影响 34
3.8 入口浓度变化对电化学性能的影响 35
第四章 锌镍单液流电池极耳参数优化分析 37
4.1 参数优化分析模型的建立 37
4.1.1 基本假设和模型的建立 37
4.1.2 边界条件的设置 38
4.2 参数优化结果分析 39
4.2.1 位置的优化 39
4.2.2 尺寸的优化 41
第五章 总结与展望 43
5.1总结 43
5.2展望 44
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
迈入21世纪以来，随着工业化的深入发展，人们对于能源的需求日益加大，煤、石油、天然气等不可再生能源的使用已越来越不能满足生产生活的需求，同时大量消耗它们也影响了环境质量，因此，21世纪能源的储备及使用等问题成为了世界各国普遍关注的焦点，大力发展太阳能、风能等新型可再生的能源技术已经成为国际社会实行可持续发展战略的一致性见解。然而，太阳能、风能等新能源普遍存在不连续性、不稳定性等特征，无法持续稳定地提供电能，对于电网的使用也有着“峰谷”的普遍现象，因此迫切需要发展适宜新能源技术的大规模储能装置[1,2]。目前已经有多种储能技术：
表11 储能技术分类
分类
储能技术
物理储能
抽水储能
压缩空气储能
飞轮储能
化学储能
铅酸电池
氧化还原液流电池
钠硫电池
锂离子电池
电磁储能
超导电磁储能
超级电容器储能
以上各种储能技术的储能容量、应用的场所不尽相同。抽水储能、压缩空气储能和液流电池被认为是适宜大规模能源存储的技术。抽水储能和压缩空气储能已经成功应用到了数十兆瓦级别以上的大规模能源存储系统中[3]，液流电池中发展较为成熟的全钒氧化还原液流电池也已经有了兆瓦级别装置用于新能源的发电与储存。三种储能技术中抽水储能和压缩空气技术由于其技术本身特点，受到地域、成本、效率等诸多因素的制约，无法被普遍地使用。与其相比，液流电池以其功率与能量可独立设计[4]、适用于各种储能场合、全寿命成本低等特点，已经成为最适宜大规模储能的化学储能技术之一。北京防化研究院[5]研究了锌镍蓄电池与全沉积型铅酸液流电池，成功组装了锌镍单液流电池（zincnickel single flow battery，ZNB），电池全寿命成本得到控制的同时，兼具较好的稳定性与较高的效率，具有较好的研究前景。
作为液流电池中发展较为晚的锌镍单液流电池，对其的研究还基本处于实验测试阶段，目前主要使用实验的方法研究它物理化学方面的特性[68]，较少采用软件数值模拟分析方法研究锌镍单液流电池电极板间的多物理场耦合情况。本课题旨在研究锌镍单液流储能电池电极多物理场耦合情况，利用数值模拟分析的方法对锌镍单液流电池电堆的流动、传热传质和电化学过程进行研究，进而寻找极耳参数优化方案，减轻锌镍单液流电池目前存在的温度不均现象。
1.2 液流电池研究进展
氧化还原液流电池的储能体系最早被Thaller L.H.[9]教授提出，并于1974年申请专利。液流电池具备与其它电池体系显著区分的特点：液流电池的活性物质存在于电解液中。外置的泵运转，使得电解液在储液罐和电堆之间流动，流经电堆时电解液与电极发生电化学反应，化学能转化为电能向外输出。液流电池的功率是通过改变电堆的设计来改变的，而电池的容量由电解液中活性物质的量，即电解液的量决定。
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 液流电池研究进展 2
1.3 液流电池的分类及特点 3
1.3.1 液流电池的分类 3
1.3.2 液流电池的特点 4
1.4 几种典型的液流电池介绍 4
1.4.1 全钒氧化还原液流电池 4
1.4.2 全沉积型铅酸液流电池 6
1.5 锌镍单液流电池概述 6
1.5.1 锌镍单液流电池的工作原理 6
1.5.2 锌镍单液流电池的电极 7
1.5.3 锌镍单液流电池的电解液 8
1.5.4 锌镍单液流电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
池特点 8
1.6 本课题的研究内容 9
第二章 锌镍单液流电池分析模型的建立 10
2.1 软件介绍 10
2.2 基本假设与几何模型 11
2.3 数学模型理论分析 12
2.3.1 流动与传质方程 12
2.3.2 电荷守恒方程 13
2.3.3 反应动力学方程 13
2.3.4 能量守恒方程 14
2.4 边界条件设置与电池基本物性参数设置 15
2.4.1 边界条件与初始值 15
2.4.2 基本物性参数 16
2.5 网格划分简述 16
第三章 锌镍单液流电池数值模拟结果及分析 19
3.1 速度分析 19
3.2 组分浓度分析 22
3.2.1 氢氧根离子浓度分析 22
3.2.2 锌酸根离子浓度分析 24
3.3 电势分析 26
3.4 电流密度分析 29
3.5 传热温度分析 31
3.6 电堆内电解液流动不均对浓差极化分布的影响 32
3.7 入口浓度变化对浓差极化分布的影响 34
3.8 入口浓度变化对电化学性能的影响 35
第四章 锌镍单液流电池极耳参数优化分析 37
4.1 参数优化分析模型的建立 37
4.1.1 基本假设和模型的建立 37
4.1.2 边界条件的设置 38
4.2 参数优化结果分析 39
4.2.1 位置的优化 39
4.2.2 尺寸的优化 41
第五章 总结与展望 43
5.1总结 43
5.2展望 44
致 谢 45
参考文献 46
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
迈入21世纪以来，随着工业化的深入发展，人们对于能源的需求日益加大，煤、石油、天然气等不可再生能源的使用已越来越不能满足生产生活的需求，同时大量消耗它们也影响了环境质量，因此，21世纪能源的储备及使用等问题成为了世界各国普遍关注的焦点，大力发展太阳能、风能等新型可再生的能源技术已经成为国际社会实行可持续发展战略的一致性见解。然而，太阳能、风能等新能源普遍存在不连续性、不稳定性等特征，无法持续稳定地提供电能，对于电网的使用也有着“峰谷”的普遍现象，因此迫切需要发展适宜新能源技术的大规模储能装置[1,2]。目前已经有多种储能技术：
表11 储能技术分类
分类
储能技术
物理储能
抽水储能
压缩空气储能
飞轮储能
化学储能
铅酸电池
氧化还原液流电池
钠硫电池
锂离子电池
电磁储能
超导电磁储能
超级电容器储能
以上各种储能技术的储能容量、应用的场所不尽相同。抽水储能、压缩空气储能和液流电池被认为是适宜大规模能源存储的技术。抽水储能和压缩空气储能已经成功应用到了数十兆瓦级别以上的大规模能源存储系统中[3]，液流电池中发展较为成熟的全钒氧化还原液流电池也已经有了兆瓦级别装置用于新能源的发电与储存。三种储能技术中抽水储能和压缩空气技术由于其技术本身特点，受到地域、成本、效率等诸多因素的制约，无法被普遍地使用。与其相比，液流电池以其功率与能量可独立设计[4]、适用于各种储能场合、全寿命成本低等特点，已经成为最适宜大规模储能的化学储能技术之一。北京防化研究院[5]研究了锌镍蓄电池与全沉积型铅酸液流电池，成功组装了锌镍单液流电池（zincnickel single flow battery，ZNB），电池全寿命成本得到控制的同时，兼具较好的稳定性与较高的效率，具有较好的研究前景。
作为液流电池中发展较为晚的锌镍单液流电池，对其的研究还基本处于实验测试阶段，目前主要使用实验的方法研究它物理化学方面的特性[68]，较少采用软件数值模拟分析方法研究锌镍单液流电池电极板间的多物理场耦合情况。本课题旨在研究锌镍单液流储能电池电极多物理场耦合情况，利用数值模拟分析的方法对锌镍单液流电池电堆的流动、传热传质和电化学过程进行研究，进而寻找极耳参数优化方案，减轻锌镍单液流电池目前存在的温度不均现象。
1.2 液流电池研究进展
氧化还原液流电池的储能体系最早被Thaller L.H.[9]教授提出，并于1974年申请专利。液流电池具备与其它电池体系显著区分的特点：液流电池的活性物质存在于电解液中。外置的泵运转，使得电解液在储液罐和电堆之间流动，流经电堆时电解液与电极发生电化学反应，化学能转化为电能向外输出。液流电池的功率是通过改变电堆的设计来改变的，而电池的容量由电解液中活性物质的量，即电解液的量决定。
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