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液流電池電堆設(shè)計需要考慮哪些 已有1人參與
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液流電池電堆作為反應(yīng)場所，是系統(tǒng)的功率單元，需要考慮能量效率、可靠性、低成本等幾個方面，在設(shè)計時需要考慮以下幾點。? ? ? 一、電堆功率的考量。液流電池功率單元與容量單元是分開的，電堆作為功率單元，其庫侖效率、電壓效率、能量效率、電解液利用率與電堆的工作電流密度密切相關(guān)，在電堆中，輸出功率（一般用工作電流密度來表達）及庫侖效率、電壓效率、能量效率的關(guān)系是電堆性能的重要指標，對于固定的電堆，輸出功率不同，其工作電流密度和效率是不同的。? ? ? 液流電池電堆額定輸出功率一般是指在滿足指定能量效率的條件下，電堆在一個充放電循環(huán)過程中可持續(xù)輸出的功率，需要注意的電堆的能量效率是在不考慮能量損耗（泵損耗、熱管理系統(tǒng)損耗等）情況下的能量效率。能量效率不同，電堆的額定輸出功率是不同的。? ? ? 液流電池電堆輸出功率=工作電流密度*電極有效面積*單體平均輸出電壓*單電池節(jié)數(shù)，可以看出，1）在工作電流密度不變的情況下（不考慮漏電電堆、電解液均勻性等對電池性能的影響），可以近似認為電堆能量效率不變，增加電極有效面積和單電池節(jié)數(shù)會提高電堆輸出功率，但會增加成本和電堆體積；2）通過提高隔膜電導(dǎo)率、降低雙極板及其與電極接觸內(nèi)阻等歐姆內(nèi)阻，提高電極活性，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計提高電解液在電極上的均勻性等，在不降低能量效率的情況下，提高工作電流密度來提高電堆輸出功率。? ? ? 二、電堆內(nèi)部流場的設(shè)計。電堆的流場主要分為電堆內(nèi)公共流道和液流框結(jié)構(gòu)（雙極板流道）。電堆內(nèi)公共流道會直接影響單電池間流量的均勻性和分配性，液流框結(jié)構(gòu)（雙極板流道）會直接影響電解液在電極上的均勻性。? ? ? 電堆中公共流道的設(shè)計：公共流道連接電堆中的各個單體電池，目前常用的主要有u型和z型，兩者主要是進出電堆的方式。u型結(jié)構(gòu)中，電堆進出液口在同一側(cè)，每個單體電解液流經(jīng)的路程是不同的，電解液流量由進出口側(cè)到另一側(cè)流量逐漸降低，并且隨著單體電池的增加，電解液流量分配的均勻性逐漸變差。z型結(jié)構(gòu)中進出液在兩側(cè)，每個單體電解液流經(jīng)的路程是相同的，處于電堆中心位置的單體流量最低，兩端最大，電解液流速呈現(xiàn)中心對稱分布，隨著單體電池的增加，電解液流量分配的均勻性也會逐漸變差。? ? ? 液流框結(jié)構(gòu)（雙極板流道）設(shè)計：液流框上流道設(shè)置擋板、多組擋板、多個進液口、進出液口擋板有差別等多種方式，都可以提高電解液在電極上的均勻性，需要注意的是如何平衡提高電解液均勻性的方式與泵損耗；雙極板上流道結(jié)構(gòu)，實驗室中小片雙極板進行流道結(jié)構(gòu)設(shè)計，是很容易實現(xiàn)的，多為蛇形流道，大片雙極板上進行流道加工設(shè)計，目前有在柔性石墨板和塑料石墨板上實現(xiàn)，需要考慮大片雙極板上流道和實驗室小片雙極板上流道是否效果是否相同；電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，液流電池電極多采用石墨氈，在石墨氈上進行刻蝕流道、提高電極潤濕性等，可以減小液流流動阻力，提高電解液在電極上的均勻性。? ? ? 三、漏電電流的控制。液流電池電堆中，電解液是通過分配口流經(jīng)各個單體，不同單體電池間具有離子通道，而單體電池是串聯(lián)的，電池間有電子通道，當電子通道和離子通道構(gòu)成閉合導(dǎo)電回路時，就產(chǎn)生漏電電流，這種電流不經(jīng)過外部電路，以自放電的形式消耗了電量，一般充電時，總漏電電流為負，一部分電流通過離子通道產(chǎn)生自放電，放電時，漏電電流為正，電堆的放電電流中有一部分產(chǎn)生漏電，實際輸出電流減小，進而導(dǎo)致庫侖效率降低。漏電電流會降低液流電池容量，表現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)就是降低電解液利用率，長期循環(huán)過程中，若漏電電流沒有變化，不會產(chǎn)生容量衰減，若漏電電流增大，會產(chǎn)生容量衰減。展開來說，液流框的結(jié)構(gòu)會影響電解液流程，從而影響漏電電流，目前減小漏電電流的主要途徑是降低隔膜離子滲透、增加管徑（電解液流程）等。? ? ? 四、電堆的安全可靠性。液流電池關(guān)鍵部件包括電極、隔膜、雙極板、液流框、集流板、端板、密封件等，這些部件材料的耐久穩(wěn)定可靠性直接影響電堆的安全可靠性。一是需要這些關(guān)鍵部件具有較強的耐氧化、耐腐蝕性，二是需要這些關(guān)鍵部件具有一定的抗壓、抗拉、抗彎曲強度。? ? ? 引起電堆性能衰減的直接原因是電池關(guān)鍵材料在電池運行過程中發(fā)生老化、應(yīng)力損傷污染等現(xiàn)象，產(chǎn)生了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力降低和阻活性離子下降、電極活性下降、雙極板及電極出現(xiàn)“點蝕”等問題。依據(jù)材料衰減路徑歸納出了典型的關(guān)鍵材料的失效模式，包括材料性能的衰減路徑、各衰減路徑的產(chǎn)生機理和原因、發(fā)生后電池表現(xiàn)以及相應(yīng)的解決方案等。關(guān)鍵材料包括膜、電極及雙極板等。膜材料的衰減路徑包括膜的滲漏、磺酸根流失和離子污染等，而膜的滲漏模式根據(jù)產(chǎn)生原因的不同又分為機械應(yīng)力導(dǎo)致和自由基攻擊導(dǎo)致的化學(xué)降解兩種情況；電極的衰減路徑主要包括電極活性(活性官能團減少和局部降解)下降和堵塞兩種情況，其中活性官能團減小主要由碳氈脫落、氧化以及雜質(zhì)等幾個方面；雙極板的衰減路徑包括導(dǎo)電性降低、雙極板破損（包括局部破損和受力處破損）。材料的各種衰減路徑和機理的產(chǎn)生原因主要歸結(jié)于電堆組裝中受力不均勻、電堆操作條件，操作條件主要反應(yīng)溫度以及流速控制導(dǎo)致電解液在電極上不均勻造成電極上電流不均勻，進而造成“點蝕”。針對不同材料的失效模式，可以通過兩類措施進行針對性設(shè)計，一方面是提高耐受性材料的開發(fā)和應(yīng)用;另一方面是針對導(dǎo)致材料失效和衰減的操作模式，采用適當?shù)南到y(tǒng)控制策略減少或避免相應(yīng)的操作條件。 發(fā)自小木蟲手機客戶端 |
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