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液流電池電堆設(shè)計(jì)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(chǎng)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(gè)方面，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。? ? ? 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(dá)）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(biāo)，對(duì)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(gè)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(duì)電池性能的影響），可以近似認(rèn)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(huì)提高電堆輸出功率，但會(huì)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(jì)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(chǎng)的設(shè)計(jì)。電堆的流場(chǎng)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(huì)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(huì)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(jì)：公共流道連接電堆中的各個(gè)單體電池，目前常用的主要有u型和z型，兩者主要是進(jìn)出電堆的方式。u型結(jié)構(gòu)中，電堆進(jìn)出液口在同一側(cè)，每個(gè)單體電解液流經(jīng)的路程是不同的，電解液流量由進(jìn)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(jìn)出液在兩側(cè)，每個(gè)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(duì)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(huì)逐漸變差。? ? ? 液流框結(jié)構(gòu)（雙極板流道）設(shè)計(jì)：液流框上流道設(shè)置擋板、多組擋板、多個(gè)進(jìn)液口、進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中小片雙極板進(jìn)行流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是很容易實(shí)現(xiàn)的，多為蛇形流道，大片雙極板上進(jìn)行流道加工設(shè)計(jì)，目前有在柔性石墨板和塑料石墨板上實(shí)現(xiàn)，需要考慮大片雙極板上流道和實(shí)驗(yàn)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(jì)，液流電池電極多采用石墨氈，在石墨氈上進(jìn)行刻蝕流道、提高電極潤濕性等，可以減小液流流動(dòng)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(gè)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(dāng)電子通道和離子通道構(gòu)成閉合導(dǎo)電回路時(shí)，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(shí)，總漏電電流為負(fù)，一部分電流通過離子通道產(chǎn)生自放電，放電時(shí)，漏電電流為正，電堆的放電電流中有一部分產(chǎn)生漏電，實(shí)際輸出電流減小，進(jìn)而導(dǎo)致庫侖效率降低。漏電電流會(huì)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(huì)產(chǎn)生容量衰減，若漏電電流增大，會(huì)產(chǎn)生容量衰減。展開來說，液流框的結(jié)構(gòu)會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(tuán)減少和局部降解)下降和堵塞兩種情況，其中活性官能團(tuán)減小主要由碳?xì)置撀�、氧化以及雜質(zhì)等幾個(gè)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(jī)理的產(chǎn)生原因主要?dú)w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(jìn)而造成“點(diǎn)蝕”。針對(duì)不同材料的失效模式，可以通過兩類措施進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，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(duì)導(dǎo)致材料失效和衰減的操作模式，采用適當(dāng)?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(jī)客戶端 |
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