蒽醌溴化氫液流電池創(chuàng)新實驗答辯

1、本科生創(chuàng)新實驗醌溴液流電池及其性能影響因素實驗答辯姓名：程士堅姓名：程士堅指導指導老師：李昕老師：李昕Page 2研究背景研究背景液流電池液流電池的優(yōu)點的優(yōu)點液流電池液流電池應用方向應用方向響應響應速度快速度快風力發(fā)電風力發(fā)電低成本低成本安全性高安全性高可瞬間可瞬間充電充電壽命長壽命長效率高效率高容量大容量大功率大功率大軍用蓄電軍用蓄電分布電站分布電站UPS電源電源通訊基站通訊基站交通市政交通市政電網調峰電網調峰光伏發(fā)電光伏發(fā)電 能源和環(huán)境問題的日益加劇使得太陽能、風能等可再生能源發(fā)電技術進能源和環(huán)境問題的日益加劇使得太陽能、風能等可再生能源發(fā)電技術進入一個新的發(fā)展階段。然而隨著越來越多的可再

2、生能源嵌入智能電網，可再入一個新的發(fā)展階段。然而隨著越來越多的可再生能源嵌入智能電網，可再生能源的間歇性與電網穩(wěn)定性的矛盾日益凸顯。目前儲能技術尚不成熟，成生能源的間歇性與電網穩(wěn)定性的矛盾日益凸顯。目前儲能技術尚不成熟，成為新能源電網系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。開發(fā)安全、環(huán)保、低成本的儲能電池是發(fā)為新能源電網系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。開發(fā)安全、環(huán)保、低成本的儲能電池是發(fā)展可再生能源科技和改善電網穩(wěn)定性的關鍵展可再生能源科技和改善電網穩(wěn)定性的關鍵Page 3 實驗實驗原理與步驟說明原理與步驟說明1 對工作電流影響因素的研究對工作電流影響因素的研究 2 對轉速影響因素的研究對轉速影響因素的研究3摘要Page 4實驗

3、目的 驗證驗證并解釋電解液流率與充放電電流對液流電池裝并解釋電解液流率與充放電電流對液流電池裝置置性能的性能的影響影響。研究主要性能參數如下：充放電循環(huán)曲線充電容量 放電中壓充放電Coulomb效率 1Page 5電化學原理 本實驗采用的蒽醌-溴液流電池只是將電解液活性物質進行了改進（一般來說是釩、鉻等擁有多個高價態(tài)的有毒金屬離子化合物），而主要原理仍是通過泵將儲罐中的正負極活性物質運送至相應電極表面進行反應后再回到儲罐中循環(huán)使用。 因此液流電池的含能物質是電解液中的活性物質而非普通二次電池是在電極表面或內部（典型的如鈷酸鋰、鑭系儲氫合金等），這個特性使得液流電池的容量不再受制于電極物質，只要

4、循環(huán)的電解液流足夠多，理論上容量也會無限擴展。而且液流電池也具有循環(huán)性能好，可靠性安全性高等優(yōu)勢，所以成為了目前大型儲能裝置及電網調控系統(tǒng)的重點研究方向。1實驗原理Page 6正極反應式正極反應式負極反應式負極反應式Br2+2e-2Br- E0=+1.065V蒽醌的氧化還原過程通過將一對醌羰基還原為羥基實現。1實驗原理Page 7 質子交換膜：質子交換膜：由于正負極采用了不同的電解液體系，但仍需保證兩極間的H+離子運輸（酸性體系 蒽醌采用稀硫酸溶解，PH1），因此隔膜采用了常見的質子交換膜，可以選擇性的透過H+ 。 傳質機械：傳質機械：采用的是非接觸式的蠕動泵，具有可輸送腐蝕性液體的優(yōu)點。蠕動

5、泵的原理是運用一套擺線行星輪的轉動，對耐腐蝕橡膠管內的液流進行不間斷推擠，以此達到輸送液流的目的，即工業(yè)上所謂的體積式泵。（如下圖，行星輪順時針旋轉）裝置原理蠕動泵原理示意圖1實驗原理 這種泵的特性是流體壓強呈脈沖狀變化，而不同于真空泵、離心泵等能夠保持恒定的壓強，但是這個特點對于本實驗中的液流電池影響并不大，除此之外反而更有利于通過泵的轉速計算流量（蠕動泵每轉動一圈，所運送的液流體積是一定的，波動很小）Page 8為了將泵的轉速與流量等價，對蠕動泵的運輸能力進行了實際測量。以下表格為實測轉速以下表格為實測轉速-流量對應數據（每組為三次實驗結果的平均值）流量對應數據（每組為三次實驗結果的平均值

6、）1實驗原理轉速（rpm）流量（ml/min）458455102651207513685156Page 9 對于實驗結果的檢測，采用了LAND電池測試系統(tǒng)及配套軟件。電池測試系統(tǒng)在試驗中的作用相當于實際使用中的外電路荷載，可以對其設定需要的工作電壓或電流，對本裝置進行恒壓或恒流充放電，并實時檢測電路數據的變化，進而獲得電池性能的參數和圖線以供分析。1實驗原理 左側的界面中可以直觀的看到充放電過程中電流/電壓變化的曲線（充電電流大小為500mAh，充電終壓為1.2v，放電終壓為0.4v） 右側面板中可以讀出數據處理所需的充電容量、放電中壓、效率等參數。Page 10裝配液流電池裝配液流電池測定不

7、同轉速下的電池性能測定不同轉速下的電池性能測定不同電流下的電池性能測定不同電流下的電池性能如圖所示具體要求：在65rpm的轉速下，通過改變充放電電流大小研究電池性能影響具體要求：在900mA固定充放電電流下，通過改變電解液流量研究電池性能影響1實驗內容Page 112對電流影響性能的研究 對比65rpm轉速下的300mA和900mA的充放電循環(huán)曲線（同樣取第二個循環(huán)的數據）可以發(fā)現平臺寬度下降明顯（32min3.9min），充放電壓平臺間的壓差也明顯擴大（0.16V0.42V），曲線線型也變得更加不平緩，放電電壓變得不穩(wěn)定。 這些都說明工作電流密度上升會引起電池的極化現象，導致大電流下有很大部

8、分電壓分攤給極化過電位極化過電位，導致了輸出電壓的損失。同時由于平臺的縮短，電池放電時間減少，實際容量下降。Page 122對電流影響性能的研究 電流-容量變化曲線： 可見放電容量的下降趨勢比較明顯，而充放電效率普遍比較高，一般在95%以上。放電中壓則較低于理論值，可認為這一現象由極化和歐姆壓降導致。擬合曲線公式為 Q= 7417 I-0.65電流mA平均放電容量mAh放電中壓V充放電效率%3001720.736795.75001260.673596.6700107.70.659898.290085.50.613499.11100720.597399.5Page 132對電流影響性能的研究 電

9、流-循環(huán)時間變化曲線： 二者關系為冪是-1.76的函數，在低電流強度區(qū)間（300-500mA）時下降明顯。由 得理論推測的電流影響充電過程容量公式 系數的推導：2000000除以60（分鐘轉化為小時）再除以2（前者討論的是循環(huán)時間，而充電時間近似為循環(huán)時間的一半。 可見當電流密度較大時，二者非常趨近，驗證了“大電流密度導致的極大電流密度導致的極化現象會大幅縮短充放電時間，進而化現象會大幅縮短充放電時間，進而使容量下降使容量下降”這一觀點；而在電流密度較小時偏差比較大可視為此時極化現象不嚴重，所以在此處充電時間t的變化不滿足冪函數關系而近似線性關系（和Y軸必有交點），下降率不大，所以需用另外的公

10、式進行擬合。Page 142對電流影響性能的研究 電流-中壓變化曲線： 放電中壓也隨電流的增加而下降，可推斷電池內部產生了嚴重的極化現象，以極化電阻為主的內阻使得開路電壓降低。 等效電路圖： 分析原因是，大電流條件下電極極板傳導電荷量增加，增大了電池的內電場強度，使參與反應的離子受電場力更容易擴散到電極表面，從另一方面提高了溶液中反應物的對反應的參與程度。另外充電深度低的情況下活性物質利用率高也有一定關系。電流電流- -效率曲線：效率曲線：Page 153對轉速影響性能的研究轉速rpm容量mAh放電中壓V效率%4524.50.57965552.50.57397.86575.50.5769875

11、89.30.589598.58596.50.59698.4轉速變化對電池性能影響數據表格：轉速變化對電池性能影響數據表格： 對比45rpm和75rpm下第二周的循環(huán)曲線，可以看到中壓壓差未有明顯變化，說明中壓壓差擴大與電流有關。平臺區(qū)隨轉速增加趨于平緩平臺區(qū)隨轉速增加趨于平緩，此時平臺放電時間亦增加，即平臺容量增加。Page 163中壓隨轉速變化效率隨轉速變化容量隨轉速變化 轉速容量之間呈近似線性關系，隨著轉速增大容量也越大，因此轉速的提高是通過加強電解液和電極間的傳質作用來提升容量，使反應更加完全（未反應的活性物質粒子數量變少）。但是也能發(fā)現在較高轉速下增長趨勢放緩，說明此時反應效率已趨近極限，電池容量不可通過提高轉速而無限制提升。 轉速對效率的提升影響較為明顯，原因可能是流速的增加相當于對電解質溶液的充分攪拌，使得活性物質粒子充分反應參與充電與放電反應的粒子數量基本相抵但是當轉速高于75rpm時，效率不再上升，說明此時攪拌作用的效果已經飽和。 轉速對放電中壓的提升效果不太明顯，可認為圖中顯示的略微上升趨勢是通過流速對電解液的攪拌作用，降低了擴散層厚度，從而提高了極限擴散電流密度jd對轉速影響性能的研究Page 17總結對現實應用的指導意義： 液流電池在實際使用過程中，應規(guī)定適當的工作電流和轉