锌镍单液流电池多孔电极板中流动传质过程的REV尺度LBM数值模拟

摘要

当前，开发可再生能源是中国能源可持续发展的重要组成部分。同时开发安全高效的储能技术，是解决可再生能源发电非稳态特性的重要手段，不同的储能技术都有其各自的优缺点。氧化还原液流电池通常具有寿命长、效率高、功率与容量可独立设计等技术特征，已成为适宜大规模储能的化学储能技术，氧化还原液流电池将成为未来储能技术的发展趋势。氧化还原液流电池简称液流电池，根据其有无离子交换膜的结构特点可分为双液流电池和单液流电池。锌镍单液流电池就是一种无须离子交换膜的单液流电池，由防化研究院于2007年提出，它以烧结氧化镍为电池的正极，以锌为电池的负极，电解液为碱性锌酸盐溶液。利用格子Boltzmann方法解决了烧结镍多孔电极内渗流、传质与电化学反应的耦合问题，本文的主要研究工作如下： （1）首先根据单元电池结构、电池正极烧结镍多孔介质结构特点和多孔介质内的流动，选取基于REV尺度上的渗流控制方程建立相应的直角坐标系下的格子Boltzmann的等温计算分析模型；基于Guo等人多孔介质内部渗流的LBE模型，结合多孔介质流动控制方程以及REV尺度下考虑的作用力项，将多孔介质的参数孔隙率加入分布函数中，进行相关公式的推导；再通过Chapman-Enskog展开，得到研究电极多孔介质渗流的宏观物理量。最终构建电极多孔介质内部渗流模型。 （2）针对锌镍单液流电池多孔电极的结构特征建立了单元电极中多孔正极二维计算区域模型，结合控制方程模型。在此基础上釆取格子玻尔兹曼方法在REV尺度上求解了计算区域内流场分布情况，考察通过改变计算区域的进口流速、流道宽度以及孔隙率等条件，来研究其对烧结镍正极内部渗流情况的影响，并分析渗流速度变化规律。 （3）根据锌镍单液流电池烧结镍正极内部传质、化学反应过程，建立了可以描述其内部传质和化学反应的REV尺度模型，结合格子Boltzmann方法进行模拟计算，模拟了充放电过程中，正极荷电状态在50%时的稳态反应过程，得到电解液流道及电极内OH-浓度分布规律；探究了进口流速和充电电流密度对电极内部传质和化学反应影响，以及液相离子浓度的变化规律。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 液流电池发展及研究现状

1.3 锌镍单液流电池概述

1.3.1 锌镍单液流电池的工作原理

1.3.2 锌镍单液流电池的特点

1.3.3 锌镍单液流电池的研究现状

1.4 本文研究的意义

1.5 本文研究的内容

第2章 格子Boltzmann方法的基本理论

2.1 引言

2.2 格子Boltzmann方法的发展及应用

2.2.1 格子Boltzmann 方法的发展概述

2.2.2 格子Boltzmann方法的应用

2.3 格子 Boltzmann方法的基本模型

2.3.1 离散速度模型

2.3.2 分布函数的演化方程

2.3.3平衡态分布函数

2.4 边界条件的处理

2.4.1 反弹格式

2.4.2 速度边界条件

2.4.3 开放边界条件

2.4.4 周期性边界条件

2.4.5 对称边界条件

2.5 格子Boltzmann 计算方法

2.6 本章小结

第3章 孔隙尺度与REV尺度多孔介质LBM模型的构建

3.1 引言

3.2 孔隙尺度多孔介质模型构建简介

3.2.1 概念模型

3.2.2 统计模型

3.2.3 图像重构模型

3.2.4 基于过程的计算机重构模型

3.3 REV尺度多孔介质的LBM模型建立

3.4.本章小结

第 4 章 多孔介质内渗流的REV尺度分析

4.1 电池单通道物理模型

4.2 计算区域的划分

4.3 简化假设及边界条件

4.4 数学方程模型

4.5 计算涉及的参数及取值

4.6 结果分析

4.6.1 整个计算区域流场速度分布云图

4.6.2 流道内电解液入口流速对平均渗流速度的影响

4.7 本章小结

第5章 电极内部反应的REV尺度模拟分析

5.1 正极传质与反应模型

5.1.1 正极内部流动传质与反应的数学描述

5.1.2 锌镍单液流电池电化学反应模型

5.1.3 OH-离子输运模型

5.1.4 格子Boltzmann方法的传质模型

5.2 简化假设及参数取值

5.3 数值模拟结果分析

5.3.1 液相OH-离子浓度分布

5.3.2 进口流速的影响分析

5.3.5 充电电流密度的对液相OH-离子浓度的影响

5.4 本章小结

第6章 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢