全钒液流电池环境温度响应性的模拟及实验研究

全钒液流电池是最具应用前景的大规模储能技术之一,具有设计灵活、可逆性高、正负极电解液组分相同、无交叉污染风险等优点,特别适合用于大型的固定场地的电能存储。尽管全钒液流电池具有诸多优势,但是其工作温度范围较窄也成为了限制其应用的严重阻碍,一般情况下全钒液流电池长时间安全工作的温度被限制在10～40℃之间,温度过高或过低时,电解液均易出现沉淀、堵塞等问题,严重影响了电池的安全高效运行。另一方面,对液流电池和固态电池的传热分析是截然不同的,电解液在储罐和电堆之间循环流动的特点,为液流电池电堆构造了一个独特散热形式。因此,建立描述电解液循环流动的独特构造的液流电池传热模型,分析不同环境温度下全钒液流电池的温度变化规律,对于全钒液流电池的温度管理和安全运行,具有重要实践意义和应用价值。本文以模拟研究为主,建立了全钒液流电池电化学-流动-传热耦合瞬态模型,同时搭建了电堆规模的全钒液流电池温度测试实验平台,通过实验验证了模型的有效性。研究总结了电池温度变化的基本规律:电池的平均温度主要受电流密度和电解液流速的影响,随电流密度的增大而增大,随流量的增大先减小后增大;电池温度的波动幅度主要受电池充放电深度的影响,在环境温度基本稳定的工作条件下,电堆温度的波动幅度和充放电深度大致呈正比。环境温度通过影响电解液的粘度和电导率影响电池产热,随着温度的升高流动产热减小,旁路电流产热增大,总体而言,低温环境下比高温环境下电池热效应更加显著。上述温度变化规律适用于不同尺寸电堆规模的、无主动温度管理措施的、低电流密度(50mA/cm~2)的充/放电,但应尽可能避免在大电流密度下持续运行;(2)电池温度监控的关键时期是电池放电末期,电池放电产热大,电堆温度超过40℃时要及时中止放电或切换为充电状态;(3)可以忽略短暂的峰值环境温度对电池温度的影响,但数个小时以上的持续高温与电池持续放电的重叠应尽可能避免。