蒽醌溴化氫液流電池創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)答辯ppt

1、本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)醌溴液流電池及其性能影響因素實(shí)驗(yàn)答辯姓名：程士堅(jiān)姓名：程士堅(jiān)指導(dǎo)指導(dǎo)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(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)液流電池液流電池應(yīng)用方向應(yīng)用方向響應(yīng)響應(yīng)速度快速度快風(fēng)力發(fā)電風(fēng)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(zhǎng)壽命長(zhǎng)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(wǎng)調(diào)峰電網(wǎng)調(diào)峰光伏發(fā)電光伏發(fā)電 能源和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇使得太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)能源和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇使得太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。然而隨著越來(lái)越多的可再

2、生能源嵌入智能電網(wǎng)，可再入一個(gè)新的發(fā)展階段。然而隨著越來(lái)越多的可再生能源嵌入智能電網(wǎng)，可再生能源的間歇性與電網(wǎng)穩(wěn)定性的矛盾日益凸顯。目前儲(chǔ)能技術(shù)尚不成熟，成生能源的間歇性與電網(wǎng)穩(wěn)定性的矛盾日益凸顯。目前儲(chǔ)能技術(shù)尚不成熟，成為新能源電網(wǎng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。開(kāi)發(fā)安全、環(huán)保、低成本的儲(chǔ)能電池是發(fā)為新能源電網(wǎng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。開(kāi)發(fā)安全、環(huán)保、低成本的儲(chǔ)能電池是發(fā)展可再生能源科技和改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵展可再生能源科技和改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵Page 3 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理與步驟說(shuō)明原理與步驟說(shuō)明1 對(duì)工作電流影響因素的研究對(duì)工作電流影響因素的研究 2 對(duì)轉(zhuǎn)速影響因素的研究對(duì)轉(zhuǎn)速影響因素的研究3摘要Page 4實(shí)驗(yàn)

3、目的 驗(yàn)證驗(yàn)證并解釋電解液流率與充放電電流對(duì)液流電池裝并解釋電解液流率與充放電電流對(duì)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(shù)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(xué)原理 本實(shí)驗(yàn)采用的蒽醌-溴液流電池只是將電解液活性物質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)（一般來(lái)說(shuō)是釩、鉻等擁有多個(gè)高價(jià)態(tài)的有毒金屬離子化合物），而主要原理仍是通過(guò)泵將儲(chǔ)罐中的正負(fù)極活性物質(zhì)運(yùn)送至相應(yīng)電極表面進(jìn)行反應(yīng)后再回到儲(chǔ)罐中循環(huán)使用。 因此液流電池的含能物質(zhì)是電解液中的活性物質(zhì)而非普通二次電池是在電極表面或內(nèi)部（典型的如鈷酸鋰、鑭系儲(chǔ)氫合金等），這個(gè)特性使得液流電池的容量不再受制于電極物質(zhì)，只要

4、循環(huán)的電解液流足夠多，理論上容量也會(huì)無(wú)限擴(kuò)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(shì)，所以成為了目前大型儲(chǔ)能裝置及電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向。1實(shí)驗(yàn)原理Page 6正極反應(yīng)式正極反應(yīng)式負(fù)極反應(yīng)式負(fù)極反應(yīng)式Br2+2e-2Br- E0=+1.065V蒽醌的氧化還原過(guò)程通過(guò)將一對(duì)醌羰基還原為羥基實(shí)現(xiàn)。1實(shí)驗(yàn)原理Page 7 質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜：由于正負(fù)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(yùn)輸（酸性體系 蒽醌采用稀硫酸溶解，PH1），因此隔膜采用了常見(jiàn)的質(zhì)子交換膜，可以選擇性的透過(guò)H+ 。 傳質(zhì)機(jī)械：傳質(zhì)機(jī)械：采用的是非接觸式的蠕動(dòng)泵，具有可輸送腐蝕性液體的優(yōu)點(diǎn)。蠕動(dòng)

5、泵的原理是運(yùn)用一套擺線行星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)耐腐蝕橡膠管內(nèi)的液流進(jìn)行不間斷推擠，以此達(dá)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(shí)針旋轉(zhuǎn)）裝置原理蠕動(dòng)泵原理示意圖1實(shí)驗(yàn)原理 這種泵的特性是流體壓強(qiáng)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(qiáng)，但是這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的液流電池影響并不大，除此之外反而更有利于通過(guò)泵的轉(zhuǎn)速計(jì)算流量（蠕動(dòng)泵每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，所運(yùn)送的液流體積是一定的，波動(dòng)很?。㏄age 8為了將泵的轉(zhuǎn)速與流量等價(jià)，對(duì)蠕動(dòng)泵的運(yùn)輸能力進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。以下表格為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速以下表格為實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速-流量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（每組為三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值）流量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（每組為三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值

6、）1實(shí)驗(yàn)原理轉(zhuǎn)速（rpm）流量（ml/min）458455102651207513685156Page 9 對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)，采用了LAND電池測(cè)試系統(tǒng)及配套軟件。電池測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)中的作用相當(dāng)于實(shí)際使用中的外電路荷載，可以對(duì)其設(shè)定需要的工作電壓或電流，對(duì)本裝置進(jìn)行恒壓或恒流充放電，并實(shí)時(shí)檢測(cè)電路數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)而獲得電池性能的參數(shù)和圖線以供分析。1實(shí)驗(yàn)原理 左側(cè)的界面中可以直觀的看到充放電過(guò)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(cè)面板中可以讀出數(shù)據(jù)處理所需的充電容量、放電中壓、效率等參數(shù)。Page 10裝配液流電池裝配液流電池測(cè)定不

7、同轉(zhuǎn)速下的電池性能測(cè)定不同轉(zhuǎn)速下的電池性能測(cè)定不同電流下的電池性能測(cè)定不同電流下的電池性能如圖所示具體要求：在65rpm的轉(zhuǎn)速下，通過(guò)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(guò)改變電解液流量研究電池性能影響1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Page 112對(duì)電流影響性能的研究 對(duì)比65rpm轉(zhuǎn)速下的300mA和900mA的充放電循環(huán)曲線（同樣取第二個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)）可以發(fā)現(xiàn)平臺(tái)寬度下降明顯（32min3.9min），充放電壓平臺(tái)間的壓差也明顯擴(kuò)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(shuō)明工作電流密度上升會(huì)引起電池的極化現(xiàn)象，導(dǎo)致大電流下有很大部

8、分電壓分?jǐn)偨o極化過(guò)電位極化過(guò)電位，導(dǎo)致了輸出電壓的損失。同時(shí)由于平臺(tái)的縮短，電池放電時(shí)間減少，實(shí)際容量下降。Page 122對(duì)電流影響性能的研究 電流-容量變化曲線： 可見(jiàn)放電容量的下降趨勢(shì)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(rèn)為這一現(xiàn)象由極化和歐姆壓降導(dǎo)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(duì)電流影響性能的研究 電

9、流-循環(huán)時(shí)間變化曲線： 二者關(guān)系為冪是-1.76的函數(shù)，在低電流強(qiáng)度區(qū)間（300-500mA）時(shí)下降明顯。由 得理論推測(cè)的電流影響充電過(guò)程容量公式 系數(shù)的推導(dǎo)：2000000除以60（分鐘轉(zhuǎn)化為小時(shí)）再除以2（前者討論的是循環(huán)時(shí)間，而充電時(shí)間近似為循環(huán)時(shí)間的一半。 可見(jiàn)當(dāng)電流密度較大時(shí)，二者非常趨近，驗(yàn)證了“大電流密度導(dǎo)致的極大電流密度導(dǎo)致的極化現(xiàn)象會(huì)大幅縮短充放電時(shí)間，進(jìn)而化現(xiàn)象會(huì)大幅縮短充放電時(shí)間，進(jìn)而使容量下降使容量下降”這一觀點(diǎn)；而在電流密度較小時(shí)偏差比較大可視為此時(shí)極化現(xiàn)象不嚴(yán)重，所以在此處充電時(shí)間t的變化不滿足冪函數(shù)關(guān)系而近似線性關(guān)系（和Y軸必有交點(diǎn)），下降率不大，所以需用另外的公

10、式進(jìn)行擬合。Page 142對(duì)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(nèi)部產(chǎn)生了嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，以極化電阻為主的內(nèi)阻使得開(kāi)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(dǎo)電荷量增加，增大了電池的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度，使參與反應(yīng)的離子受電場(chǎng)力更容易擴(kuò)散到電極表面，從另一方面提高了溶液中反應(yīng)物的對(duì)反應(yīng)的參與程度。另外充電深度低的情況下活性物質(zhì)利用率高也有一定關(guān)系。電流電流- -效率曲線：效率曲線：Page 153對(duì)轉(zhuǎn)速影響性能的研究轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化對(duì)電池性能影響數(shù)據(jù)表格：轉(zhuǎn)速變化對(duì)電池性能影響數(shù)據(jù)表格： 對(duì)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(shuō)明中壓壓差擴(kuò)大與電流有關(guān)。平臺(tái)區(qū)隨轉(zhuǎn)速增加趨于平緩平臺(tái)區(qū)隨轉(zhuǎn)速增加趨于平緩，此時(shí)平臺(tái)放電時(shí)間亦增加，即平臺(tái)容量增加。Page 163中壓隨轉(zhuǎn)速變化效率隨轉(zhuǎn)速變化容量隨轉(zhuǎn)速變化 轉(zhuǎn)速容量之間呈近似線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速增大容量也越大，因此轉(zhuǎn)速的提高是通過(guò)加強(qiáng)電解液和電極間的傳質(zhì)作用來(lái)提升容量，使反應(yīng)更加完全（未反應(yīng)的活性物質(zhì)粒子數(shù)量變少）。但是也能發(fā)現(xiàn)在較高轉(zhuǎn)速下增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，說(shuō)明此時(shí)反應(yīng)效率已趨近極限，電池容量不可通過(guò)提高轉(zhuǎn)速而無(wú)限制提升。 轉(zhuǎn)速對(duì)效率的提升影響較為明顯，原因可能是流速的增加相當(dāng)于對(duì)電解質(zhì)溶液的充分?jǐn)嚢?，使得活性物質(zhì)粒子充分反應(yīng)參與充電與放電反應(yīng)的粒子數(shù)量基本相抵但是當(dāng)轉(zhuǎn)速高于75rpm時(shí)，效率不再上升，說(shuō)明此時(shí)攪拌作用的效果已經(jīng)飽和。 轉(zhuǎn)速對(duì)放電中壓的提升效果不太明顯，可認(rèn)為圖中顯示的略微上升趨勢(shì)是通過(guò)流速對(duì)電解液的攪拌作用，降低了擴(kuò)散層厚度，從而提高了極限擴(kuò)散電流密度jd對(duì)轉(zhuǎn)速影響性能的研究Page 17總結(jié)對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的指導(dǎo)意義： 液流電池在實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)規(guī)定適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏骱娃D(zhuǎn)