一种全钒液流电池性能预测方法技术

本发明专利技术提供一种全钒液流电池性能预测方法

【技术实现步骤摘要】
一种全钒液流电池性能预测方法


[0001]本专利技术涉及液流电池
，具体涉及一种全钒液流电池性能预测方法
。

技术介绍

[0002]全钒液流电池因其高安全
、
长寿命
、
低成本等独特优点，非常适合用于大容量
、
长时间运行的储能系统
。
全钒液流电池运行时的电解质浓度变化和电化学性能是研究其性能的关键因素，因此建立准确且全面的仿真预测模型是提高其效率的基础，也是实现其大规模应用的前提条件
。
[0003]在全钒液流电池的仿真模型的搭建中，主要涉及流体力学
、
传质学和电化学，这三门学科分别对应着电解液的流动过程
、
离子的传输过程和离子价态变化产生的电化学过程
。
模型结果可以提前预测电池性能，分析电池结构设计是否合理，以及电池在当前工况的荷电状态（
SOC
）
。
[0004]目前针对全钒液流电池性能的仿真分析主要集中于电池与电网联调的一维仿真，针对电池内部的二维或三维仿真分析并不常见
。
虽然也有少部分研究者针对电池内部进行二维或三维仿真分析，但这些仿真模型大多都是稳态模型，并没有考虑到电极框分配区或流道对电解液流动的影响，也未考虑到电极入口处的离子浓度随时间的变化，因此现有模型的仿真结果与电池实际情况存在一定差距
。
尽管也有部分研究者针对液流电池的电极框分配区或流道进行了流体力学的研究，但其中基本不包括电化学的计算，并不能直观的反映出离子在电池中的传输过程，从而也不能准确预测电池性能
。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种准确度更高的全钒液流电池性能预测方法
。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种全钒液流电池性能预测方法，其包括如下步骤：步骤
1、
根据电池实际结构，建立几何模型并对几何模型进行网格划分，其中，电池包括设置在中间的离子交换膜以及分别依次设置在离子交换膜左右两侧的电极
、
电极框；步骤
2、
根据连续性方程和粘性不可压缩流体动量守恒运动方程分别构建电极框中电解液流动方程和电极中电解液流动方程；步骤
3、
根据电极和离子交换膜中包含的离子以及菲克定律分别构建电极和离子交换膜的离子守恒方程；步骤
4、
根据能斯特方程
、
巴特勒
‑
褔尔默方程和法拉第定律分别构建电极和离子交换膜的电化学反应方程；步骤
5、
构建电解液储液罐与电池的质量守恒方程，得到电极入口区域的离子浓度随时间变化的方程式；步骤
6、
构建上述方程计算所需边界条件并给定计算初始值，计算充放电过程中电
池状态变化，具体包括：步骤
6.1、
给定初始条件；步骤
6.2、
以电解液流入电池的速度作为步骤2中的电极框中电解液流动方程的速度边界，根据几何模型对所述电极框中电解液流动方程进行计算，得到电极框中的电解液速度；步骤
6.3、
以步骤
6.2
计算得到的电极框中的电解液速度作为步骤2中的电极中电解液流动方程的速度边界，根据几何模型对所述电极中电解液流动方程进行计算，得到电极中的电解液速度；步骤
6.4、
采用步骤5中的实时离子浓度作为步骤3离子守恒方程的浓度边界，将步骤
6.3
计算得到的电极中的电解液速度代入步骤3离子守恒方程以及步骤4电化学反应方程中，迭代求解瞬态离子浓度
、
电流密度和电池电压
。
[0007]本专利技术通过对全钒液流电池的流动过程
、
传质过程
、
电化学反应和导电过程等进行综合分析，构建了电极框和电极的流动方程
、
电极和离子交换膜的离子守恒方程以及电极和离子交换膜的电化学反应方程，通过对这几个方程进行迭代计算，更能准确反映出离子在电池中的传输过程，从而能准确预测电池性能
。
[0008]本专利技术考虑到电极框的流道对电解液流动速度的影响以及电极入口处的离子浓度随时间的变化，通过将电极框内的电解液速度作为电极流动方程的速度边界以及将实时离子浓度作为离子守恒方程的浓度边界，进一步提高了预测结果的准确性
。
[0009]优选地，所述步骤
6.3
中，以步骤
6.2
计算得到的与电极相邻的电极框边界层处的电解液速度作为所述电极中电解液流动方程的速度边界
。
[0010]由于流进电极的电解液速度受电极框流道的影响，因此该速度实际上并不是稳态的，通过计算得到与电极相邻的电极框边界层处的电解液速度并将该速度作为电极流动方程的边界条件，更能准确反馈实际电极中电解液速度情况
。
[0011]优选地，所述电解液在电极框中的流动方程包括：；所述电解液在电极中的流动方程包括：；其中，
ρ
为电解液密度，
t
为时间，
U
为电解液速度矢量，
μ
为电解液粘度，
f
为单位质量流体体积力矢量，
p
为压强，为电极的孔隙率，
κ
为电解液在电极中的渗透率，
T
为电池的工作温度
。
[0012]优选地，所述电极包括正电极和负电极，正电极包含的离子为
VO
2+
、VO
2+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
，负电极包含的离子为
V
2+
、V
3+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
，离子交换膜包含的离子为
V
2+
、V
3+
、VO
2+
、VO
2+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
。
[0013]进一步优选地，所述电极的离子守恒方程包括：；所述离子交换膜的离子守恒方程包括：，其中，为电极的孔隙率，
j
表示离子，
c
j
为离子
j
的摩尔浓度，
t
为时间，
N
j
为离子
j
的摩尔通量，
S
j
为离子
j
的反应源项，
c
H,m
为离子交换膜中氢质子的浓度，
F
为法拉第常数，
z
j
为离子
j
的电荷数
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述全钒液流电池性能预测方法包括如下步骤：步骤
1、
根据电池实际结构，建立几何模型并对几何模型进行网格划分，其中，电池包括设置在中间的离子交换膜以及分别依次设置在离子交换膜左右两侧的电极
、
电极框；步骤
2、
根据连续性方程和粘性不可压缩流体动量守恒运动方程分别构建电极框中电解液流动方程和电极中电解液流动方程；步骤
3、
根据电极和离子交换膜中包含的离子以及菲克定律分别构建电极和离子交换膜的离子守恒方程；步骤
4、
根据能斯特方程
、
巴特勒
‑
褔尔默方程和法拉第定律分别构建电极和离子交换膜的电化学反应方程；步骤
5、
构建电解液储液罐与电池的质量守恒方程，得到电极入口区域的离子浓度随时间变化的方程式；步骤
6、
构建上述方程计算所需边界条件并给定计算初始值，计算充放电过程中电池状态变化，具体包括：步骤
6.1、
给定初始条件；步骤
6.2、
以电解液流入电池的速度作为步骤2中的电极框中电解液流动方程的速度边界，根据几何模型对所述电极框中电解液流动方程进行计算，得到电极框中的电解液速度；步骤
6.3、
以步骤
6.2
计算得到的电极框中的电解液速度作为步骤2中的电极中电解液流动方程的速度边界，根据几何模型对所述电极中电解液流动方程进行计算，得到电极中的电解液速度；步骤
6.4、
采用步骤5中的实时离子浓度作为步骤3离子守恒方程的浓度边界，将步骤
6.3
计算得到的电极中的电解液速度代入步骤3离子守恒方程以及步骤4电化学反应方程中，迭代求解瞬态离子浓度
、
电流密度和电池电压
。2.
根据权利要求1所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述步骤
6.3
中，以步骤
6.2
计算得到的与电极相邻的电极框边界层处的电解液速度作为所述电极中电解液流动方程的速度边界
。3.
根据权利要求1或2所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述电解液在电极框中的流动方程包括：；所述电解液在电极中的流动方程包括：；
其中，
ρ
为电解液密度，
t
为时间，
U
为电解液速度矢量，
μ
为电解液粘度，
f
为单位质量电解液体积力矢量，
p
为压强，为电极的孔隙率，
κ
为电解液在电极中的渗透率，
T
为电池的工作温度
。4.
根据权利要求1所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述电极包括正电极和负电极，正电极包含的离子为
VO
2+
、VO
2+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
，负电极包含的离子为
V
2+
、V
3+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
，离子交换膜包含的离子为
V
2+
、V
3+
、VO
2+
、VO
2+
、H
+
、HSO4‑
和
SO
42
‑
。5.
根据权利要求4所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述电极的离子守恒方程包括：；所述离子交换膜的离子守恒方程包括：，其中，为电极的孔隙率，
j
表示离子，
c
j
为离子
j
的摩尔浓度，
t
为时间，
N
j
为离子
j
的摩尔通量，
S
j
为离子
j
的反应源项，
c
H,m
为离子交换膜中氢质子的浓度，
F
为法拉第常数，
z
j
为离子
j
的电荷数
。6.
根据权利要求5所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述
V
2+
、V
3+
、VO
2+
、VO
2+
的反应源项采用电流密度计算，分别如下：，，，
，其中，
i
为电流密度；所述
H
+
和
HSO4‑
的反应源项采用硫酸的解离速度描述，分别如下：，，其中，
k
为速率参数，
β
为解离常数，
c
H+
、c
HSO4
‑
分别为
H
+
和
HSO4‑
的摩尔浓度；所述
SO
42
‑
的反应源项采用电解质电中性条件计算，即所有带电粒子的电荷数相加等于
0。7.
根据权利要求1所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述电极的电化学反应方程包括描述电极平衡电位的方程
、
描述电极电化学反应速率的方程
、
描述电解质电流密度的方程和描述电极电流密度的方程，所述离子交换膜的电化学反应方程包括描述离子交换膜侧与电极侧的离子电位与离子浓度的方程
。8.
根据权利要求7所述的全钒液流电池性能预测方法，其特征在于，所述描述电极平衡电位的方程根据能斯特方程构建，具体包括：
，，其中，
E
eq,neg
为负电极平衡电位，
E
0,neg
为负电极反应参考电位，
E
eq,pos
为正电极平衡电位，
E
0,pos
为正电极反应参考电位，
R
为理想气体常数，
T
为电池的工作温度，
F
为法拉第常数，
cvo
2+
、c
VO2+
、cv
2+
及
cv
3+
分别为
VO
2+
、VO
2+
、V<...

【专利技术属性】
技术研发人员：范芃佐，冯勇，宋华洲，
申请(专利权)人：艾博特瑞能源科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：