[发明专利]一种全钒液流电池系统传质系数的优化测量方法和装置

说明书

本发明提供了一种全钒液流电池系统传质系数的优化测量方法和装置，用于提高测量到的传质系数的精准度。本发明的全钒液流电池传质系数测量方法优化策略是通过在电池内部均匀放置四个电解液取样器，取样器足够小，不影响电池内部液体流动情况，对于优化策略进行创造性地改进，能有效减少电解液流速不均匀和电解液回流造成的浓度差，通过本发明提供的公式计算，可以得到精准度更高的传质系数，为全钒液流电池的模拟提供更准确的数据。

技术领域

本发明属于新能源储能领域，具体涉及一种全钒液流电池系统传质系数的优 化测量方法和装置。

背景技术

在能源形势十分严峻的今天，可再生能源变得愈加重要。可再生能源种类很 多，有风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，在这些可再生能源 中，人们对太阳能和风能的开发和利用寄予厚望。与传统发电技术对比，太阳能 发电的竞争力很强。但是新能源技术发电也有缺点，如电力输出不稳定和不连续 等，这些缺点对电网冲击很大。因此，电网系统需要安装储能设备，以便实现削 峰填谷，提高电力品质等。

到目前为止，人类已经研究出多种大规模高效储能技术，这些储能技术都有 自己的特点，且适用于不同的领域。与其他储能技术相比，全钒液流电池有以下 优势：功率和能量分开，设计灵活；有模块化结构设计，可逆性高，因此寿命较 长；两个半电池中使用相同元素，可以有效避免电解液交叉污染。

全钒液流电池主要由以下三部分组成：电堆单元、电解液溶液及电解液溶液 储供单元、控制管理单元，其主要活性物质为钒(VO²⁺、VO₂⁺、V³⁺、V²⁺)，不 同价态的钒离子之间相互作用，价态相互转换，可以实现化学能和电能的转换。

电堆单元的关键部件之一是电极材料，它对全钒液流电池性能有很大影响。 全钒液流电池的电极有金属电极、碳素类电极、复合电极和新材料电极。金属电 极存在相关研究较少和成本高的缺点，不利于液流电池的产业化生产。复合电极 的相关研究也较少，大部分为将碳素材料复合到一起得到的新的复合材料。新材 料电极因为涉及到的新的生产工艺和原材料，相关研究也比较少。

碳素类电极是目前电极材料的主要研究对象，碳素类材料主要分为石墨材料、 玻璃碳、碳布、碳毡、碳纸。直接将未处理的碳素类材料用于全钒液流电池，电 池的电化学活性及动力学可逆性相对较差。因此需要对电极材料进行改性处理， 改善材料的亲水性，增加表面活性和比表面积。改性处理的主要方法有热处理、 酸处理、电化学处理、碳基纳米材料催化和金属及金属氧化物处理。改性处理会 改变孔隙率，官能团和表面形貌，大大提高比表面积。

全钒液流电池正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵将电解液 送入电极。电解液流入电堆时均匀分布在电极表面上，由电极表面渗入电极空隙。 在电极表面存在一个极薄的扩散层，反应离子只有通过扩散层到达电极表面后才 能参与电极反应，描述这一环节的重要指标是扩散层反应离子传质系数k_m。k_m会影响电极表面离子浓度，进而影响浓差过电位，最终影响电压效率，是液流电 池传质过程的一个重要指标。

传质系数的测量方法主要有传热传质类比法、极限电流密度法和通过示踪研 究用特定的界面面积测量多孔介质中的传质系数。传热传质类比法只能测量单个 纤维的传质系数，示踪研究法设置麻烦，误差较大。国内外学者常用极限电流密 度法测量k_m。

美国SRIInternational的团队用极限电流密度法拟合出的传质系数测量公式为：

但是拟合方程时，学者假设电极的每个点上浓度均等于入口浓度，只有当电 解液流速很大时，这个假设才成立，实际上电解液流速没有那么大。在流动过程 中会发生电化学反应，电极后半部分的电解液浓度小于入口处浓度，因此，上述 公式计算出的传质系数偏小。