全钒液流电池建模与流量特性分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0215

摘要/Abstract

摘要：

流量是影响VRB运行效率的重要因素，现有的全钒液流电池(VRB)模型较少体现流量和离子扩散耦合的影响，无法充分反映全钒液流电池系统的运行特性。为了提高VRB系统的运行效率，本文建立了全钒液流电池混合模型，该模型是在等效电路模型上增加了流体力学模型和电化学模型，其中等效电路模型体现了钒电池的电学性能，流体力学模型体现了流量对钒电池系统的影响，电化学模型体现了钒电池的化学性能，综合三种模型的特性更加全面准确的展现了VRB的相关性能，并通过仿真对比验证了混合模型的准确性。在混合模型的基础上，分析流量对钒电池系统效率的影响，结果表明充放电期间的最优流量是关于荷电状态(SOC)的函数，通过仿真分析得到不同SOC下的最优流量值，并采取SOC分段控制流量，有效地提高电池系统效率。

关键词: 全钒液流电池, 混合模型, 流量, 分段控制

Abstract:

To improve the operation efficiency of a vanadium redox flow battery (VRB) system, flow rate, which is an important factor that affects the operation efficiency of VRB, must be considered. The existing VRB model does not reflect the coupling effect of flow rate and ion diffusion and cannot fully reflect the operation characteristics of the VRB system. Therefore, this paper establishes the hybrid model of the VRB, and hydrodynamic and electrochemical models are added to the equivalent circuit model. The equivalent circuit model reflects the electrical performance of the vanadium battery, the hydrodynamic model reflects the influence of the flow rate on the VRB system, and the electrochemical model reflects the chemical properties of the vanadium battery. The performance of VRB is demonstrated more comprehensively and accurately by synthesizing the characteristics of the three models, and the accuracy of the hybrid model is verified by their comparison. The influence of flow rate on the efficiency of the battery system is analyzed using the hybrid model. It is found that the optimal flow rate is a function of the state of charge (SOC) during charging and discharging. The optimal flow under different SOC is obtained by simulation, and the use of the SOC segment controls the flow rate and effectively improves the efficiency of the battery system.

Key words: vanadium redox flow battery, hybrid model, flow rate, segment control

中图分类号:

TM 911

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图/表 14

图1

图2

图3

图4

表1

5 kW/6 h VRB参数"

参数名称	符号	取值	单位	参数名称	符号	取值	单位
额定功率	P _s	5	kW	V³⁺扩散系数	K ₃	3.222×10^-10(25 ℃)	dm² ·s^-1
额定电压	U _s	48	V	VO²⁺扩散系数	K ₄	6.825×10^-10(25 ℃)	dm² ·s^-1
额定电流	I _d	105	A	VO₂ ⁺扩散系数	K ₅	5.897×10^-10(25 ℃)	dm² ·s^-1
额定时间	T	6	h	V²⁺扩散系数	K ₂	8.768×10^-10(25 ℃)	dm² ·s^-1
额定能量	E _N	30	kW·h	内部电阻	R _a	0.040	Ω
额定容量	C _a	630	A·h	反应电阻	R _b	0.026	Ω
最大电流	I _max	120	A	固定电阻损耗	R _f	13.94	Ω
电堆体积	V _s	165	L	动态响应	C _e	0.154	F
电解液总体积	V _t	1600	L	电解质密度	ρ	1354	g·L^-1
电池单体个数	N _cell	39	个	电解质粘度	μ	4.928×10^-3	Pa·s^-1
全氟离子交换膜厚度	d	1.78×10^-3	dm	循环泵的效率	α	80	%
单体隔膜面积	S	10	dm²	管道长度与横截面积之比	L/A	460	dm^-1
法拉第常数	F	96485	C·mol^-1	流阻	$R ?$	14186.843	Pa·L^-1
转移的电子数	Z	1	个	平衡电势	U _eq	1.259	V
钒电解液浓度	C	1.5	mol·L^-1

表1

图5

图6

表2

图7

图8

图9

表3

图10

图11

参考文献 18

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SOC	C _V2+/mol·L^-1	C _V3+/mol·L^-1	C _V4+/mol·L^-1	C _V5+/mol·L^-1
0.2	0.30	1.20	1.35	0.15
0.4	0.60	0.90	1.05	0.45
0.5	0.75	0.75	0.75	0.75
0.6	0.90	0.60	0.45	1.05
0.8	1.20	0.30	0.15	1.35

SOC	最优流量/L·min^-1
0.1～0.25	0.318
0.25～0.55	0.315
0.55～0.65	0.318
0.65～0.75	0.324
0.75～0.9	0.330

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