全钒液流电池隔膜传质特性分析

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1、全钒液流电池隔膜传质特性分析MassTransferCharacteristicsofMembraneforAllVanadiumFlowBattery研究生：于东旭指导教师：孙红教授学科领域：机械工程（专业学位）二〇一七年三月分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文全钒液流电池隔膜传质特性分析作者姓名：于东旭入学年份：2014年9月指导教师：孙红教授学科领域：机械工程（专业学位）申请学位：工学硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2017年3月论文答辩日期：2017年3月学位授予日期：2017年3月答辩委员会主席：赵凯军

2、答辩委员会组成：赵凯军张珂魏春雨赵德宏范丽婷论文评阅人：声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学（或其授权机

3、构）可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并通过网络提供检索、浏览。（如作者和导师同意论文交流，请在下方签名；否则视为不同意。）作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：不限□半年□一年□一年半□两年□作者签名：导师签名：日期：日期：硕士研究生学位论文摘要I摘要全钒液流电池(All-VanadiumRedoxFlowBattery,VRB)是近年来发展较为迅速的一种储能装置，由于其较高的安全性和经济性，及环境友好等优点，广泛作为解决可再生能源大规模接入、传统电力系统削峰填谷、分布式区域能源系统负荷平衡的关键支撑技术。然而由于全钒液流

4、电池的能量密度低、工作温度范围狭窄等原因，使得其发展受到了很大限制。改善传质过程和电化学反应过程是提高电池能量密度的关键。本文根据全钒液流电池相关的热力学及动力学理论，搭建了钒电池测试平台，并进行性能测试研究，重点阐述了各因素对全钒液流电池性能的影响以及隔膜传质特性的分析。在试验中，加工了全钒液流电池的流场板、组装了电池单体。利用液流电池测试装置，测试了电解液流速、电解液中钒离子浓度、电流密度等操作参数对全钒液流电池性能的影响，获得了其充放电特性曲线及交流阻抗图谱，对全钒液流电池等效阻抗进行分析，总结出各因素对电池中欧姆阻抗、法拉第阻抗、库伦

5、效率、电压效率以及能量效率的影响规律。研究结果发现：增大钒离子浓度和充/放电电流密度有利于缩短充/放电时间，并可提高电池效率；增大电流密度可使电池法拉第阻抗降低；在一定范围内增加电解液中硫酸的浓度，可适当提高电池电压效率和能量效率；全钒液流电池正极法拉第阻抗大于负极法拉第阻抗。由于传质过程对全钒液流电池的性能有重要影响，为了分析出水在质子交换膜内的传递规律及影响因素，本文基于耗散粒子动力学基本理论从介观角度建立了Nafion117链以及水构成的三维周期性无定型胞模型。在整个模型构建与计算的过程中，采用DPD力场，利用截断半径法计算介观珠子间的

6、作用力。在耗散粒子动力学计算过程中，采用Verlet算法求解牛顿运动方程。根据模型计算结果，对径向分布函数及扩散系数进行分析，研究了温度、水含量对质子交换膜介观结构及传质过程的影响。模拟结果发现：水在质子交换膜内会形成相互连接且贯穿的水通道，磺酸基的周围形成亲水相，氟原子周围形成憎水相。在一定的温度下，在磺酸基周围配位的水分子数(配位数)随水含量的增加而变大。水作为质子传递的载体，温度升高、质子交换膜内水含量增大，均有利于质子在Nafion117膜中的传递。关键词：全钒液流电池；交流阻抗；膜；耗散粒子动力学；扩散系数II摘要硕士研究生学位论文

7、硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractAll-VanadiumRedoxFlowBattery(shortforVRB)isakindofenergystoragedevicewhichhasdevelopedrapidlyinrecentyears.Becauseofitshighsafetyandeconomy,andenvironmentalfriendliness,VRBiswidelyusedasakeysupporttechnologytosolvethelarge-scaleaccessofrenewablee

8、nergy,thepeakloadoftraditionalpowersystem,andtheloadbalanceofdistributedregionalen