液流電池流道設(shè)計類型對系統(tǒng)性能的影響
分類：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時間：2022-08-09
【概要描述】流道設(shè)計對于液流電池電壓效率提高具有重要作用。相較于沒有進(jìn)行流道設(shè)計的液流電池，其電解液在電極中的流速分布以及反應(yīng)離子分布更加均勻，能夠降低電解液進(jìn)出口壓降以及電極中的濃差過電位，從而減少損耗，提高電壓效率。
今年六月份，國家能源局綜合司發(fā)布的關(guān)于征求《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（征求意見稿）》意見的函中明確要求中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，這充分顯示了國家對大規(guī)模儲能方面安全性的著重考慮。液流電池，作為最具有前景的儲能技術(shù)之一，其由于儲能規(guī)模大，安全性高，壽命長，充放電響應(yīng)快速等特點受到了越來越多的關(guān)注。液流電池非常重要的一個特點就是其電解液儲存在外部不同的儲液罐中，可以通過控制儲液罐的容量實現(xiàn)對儲能規(guī)模的控制，儲液罐中的電解液通過在儲罐與電堆間的循環(huán)流動實現(xiàn)充放電反應(yīng)，其儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示。液流電池中的充放電反應(yīng)會受到反應(yīng)離子的傳質(zhì)過程的影響，主要包括流道中電解液的流動、多孔電極中電解液的流動以及反應(yīng)離子的擴散與遷移的影響。液流電池中的流道結(jié)構(gòu)會對電極中的電解液流速分布以及反應(yīng)離子分布產(chǎn)生重要影響。
液流電池中的流道設(shè)計通常借鑒燃料電池中的平行流道、交叉型流道以及蛇形流道。從現(xiàn)有的經(jīng)驗來看，與無流道設(shè)計相比，交叉型流道和蛇形流道可以顯著降低電解液通過多孔電極時的壓降，提升多孔電極中電解液流速分布以及反應(yīng)離子分布的均勻性。對于無流道設(shè)計的液流電池而言，電解液流動傾向于進(jìn)出口直線流動，偏離直線部分電解液流動顯著減少，從而造成電極中不同部分的電解液分布極不均衡的現(xiàn)象，使得不同部位的離子反應(yīng)程度受制于傳質(zhì)過程中的電解質(zhì)分布，從而導(dǎo)致多孔電極中較大的過電位，降低液流電池的極限電流密度和電壓效應(yīng)。
液流電池中的流道結(jié)構(gòu)對液流電池系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在對電極中濃差過電位的影響以及對液流電池進(jìn)出口壓降的影響。流道結(jié)構(gòu)會影響液流電極中電解液流速，從而影響電極中碳纖維表面的反應(yīng)離子濃度，最終影響濃差過電位大小及分布。電極中流速分布受局部電解液流量分配以及電極中壓力梯度影響。在較高的電解液流速下，反應(yīng)離子的輸運速率顯著增快，從而提高電極中碳纖維表面反應(yīng)離子濃度，最終降低電極中濃差過電勢。因此流道設(shè)計對電極中電解液流速分布均勻性有顯著影響，可以有效避免局部反應(yīng)離子供給不足的問題。另一方面，電池進(jìn)出口壓降也是液流電池系統(tǒng)的一個考察參數(shù)，其數(shù)值受電解液在流道中流動以及電解液在多孔電極中流動的影響，流道設(shè)計可以通過在流道作用下實現(xiàn)電解液的局部分配，降低其流量和流動路徑，顯著降低進(jìn)出口壓降，從而減少驅(qū)動電解液流動所需泵的功的大小。目前針對液流電池流道的設(shè)計包括：平行流道、交叉型流道、蛇形流道、回型流道和仿生學(xué)流道等。其中蛇形流道和交叉型流道由于加工方便、效果突出而受到廣泛關(guān)注。目前研究也主要集中在針對流道對電解液滲入分布、內(nèi)部傳質(zhì)以及進(jìn)出口壓降的影響而進(jìn)行新型流道設(shè)計。當(dāng)電解液進(jìn)入流道后，在與電極的交界面滲入、流經(jīng)、滲出電極，并從出口離開流道。對于電極局部，電解液在電極交界面的滲入量越高則反應(yīng)離子供應(yīng)越充足，對應(yīng)的濃差電位越小。交叉型流道設(shè)計，電解液從入口流入后，會從入口主流道分支成支流道，最后從電池出口流出，屬于出入口非連接型流道。蛇形流道則是從入口到出口完全連接，從入口到出口可以選擇只流經(jīng)流道，只流經(jīng)電極或部分流經(jīng)流道等。但在相同電解液流量下，蛇形流道的壓降要高于交叉型流道，并且電極壓縮率也對蛇形流道的進(jìn)出口壓降影響作用更為顯著。此外，一些新型流道設(shè)計也不斷出現(xiàn)。比如有學(xué)者提出可以將交叉型流道直接加工到電極材料上，而非雙極板上，這樣可以獲得更加均勻的反應(yīng)離子分布。主要是由于加工在電極上的流道避免了電解液流動死區(qū)，使得離子濃度分布均勻性提高，濃差過電位降低，電壓效率提高。也有學(xué)者提出了一種新型的阻塞型蛇形流道，通過部分阻塞的方式，電解液流動阻力增加，從而促進(jìn)電解液滲入電極中，提升電極內(nèi)部傳質(zhì)分布的均勻性，降低濃差過電位。總而言之，流道設(shè)計對于液流電池電壓效率提高具有重要作用。相較于沒有進(jìn)行流道設(shè)計的液流電池，其電解液在電極中的流速分布以及反應(yīng)離子分布更加均勻，能夠降低電解液進(jìn)出口壓降以及電極中的濃差過電位，從而減少損耗，提高電壓效率。[1]岳孟,鄭瓊,閻景旺,張華民,李先鋒.液流電池流場結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2021,40(09):4853-4868.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0558.[2]尤東江,魏建云,李雪菁,婁景媛.基于框架設(shè)計的液流電池流場優(yōu)化模擬研究[J].化工學(xué)報,2019,70(11):4437-4448.
