【前沿追蹤】流道截面形狀對液流電池性能的影響——半圓形勝出！
分類：前沿資訊
- 作者：羅旋
- 發(fā)布時間：2022-11-21
【概要描述】【前沿追蹤】流道截面形狀對液流電池性能的影響——半圓形勝出！
研究背景 對于全釩液流電池而言，影響其電池性能的關(guān)鍵因素主要包括電解質(zhì)、多孔電極和選擇性離子交換膜等。許多研究人員通過在實驗和模擬的基礎(chǔ)上進行了大量研究，通過使用多種方法和策略來提高全釩液流電池的性能。其中，流場的宏觀優(yōu)化與重構(gòu)是目前最熱門的研究熱點之一。與實驗探索相比，數(shù)值方法對于不同的控制策略和模型結(jié)構(gòu)會更加方便和高效。目前，已經(jīng)存在一些研究著重于對電極的改進和流場的優(yōu)化上，但關(guān)于流道截面形狀對全釩液流電池傳質(zhì)和電池性能影響的研究還從來沒有被報道過。這里將探討由山西大學(xué)Fu-zhen Wang等關(guān)于通過對流道截面重構(gòu)從而實現(xiàn)全釩流電極傳質(zhì)增強及電池性能優(yōu)化的工作。 研究亮點 本文作者提出了一種基于通道截面重構(gòu)的新型電池性能優(yōu)化方法，可以增強電解液的滲透性并促進離子分布，并建立了全釩液流電池的3D數(shù)值模型，可以預(yù)測充放電過程，并通過已報道的實驗得到驗證。作者基于該模型，研究了流道截面形狀對多物質(zhì)輸運行為和電池性能的影響，也為未來全釩液流電池的設(shè)計提供了參考。結(jié)果表明，多孔電極中的傳質(zhì)行為和電池性能受通道截面的影響，進而影響雷諾數(shù)和流體力學(xué)。而采用半圓形通道截面設(shè)計的全釩液流電池由于較低的過電位和更好的活性物種分布均勻性，因此具有最低的充電電壓和最高的放電電壓。在 3/4L 切面，半圓形設(shè)計的平均濃度比三角形通道高 15.5%，并且半圓形流道的均勻度系數(shù)比三角形流道高15.4%，因此半圓形是流道截面形狀的最佳設(shè)計。 研究內(nèi)容 本篇內(nèi)容對文中涉及的模型具體參數(shù)設(shè)置，如邊界條件、性能參數(shù)、數(shù)值細(xì)節(jié)等不過多闡述，有興趣的朋友可以閱讀原文進行了解。為了驗證數(shù)值模型的合理性，作者首先將仿真數(shù)據(jù)與一篇文獻(xiàn)的結(jié)果進行了對比，如下圖所示。在模型驗證中，通道截面的形狀設(shè)置為矩形，可以看出，數(shù)值數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果無論是充電還是放電都表現(xiàn)出良好的一致性，這表明該數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測全釩液流電池的充放電過程。 最后，實驗探究了不同流道設(shè)計對電池的輸出功率和效率的影響，結(jié)果表明半圓形設(shè)計比其他兩種設(shè)計輸出功率更高，并且半圓形設(shè)計在低入口流量方面的優(yōu)勢更加明顯，可以看出半圓形設(shè)計的VRFB對實現(xiàn)電池的高效率并最大程度地減少能量損失具有積極作用。但三種不同流道隨流量的壓降結(jié)果顯示半圓形設(shè)計具有最高的壓降，這對電池性能是不利的。深入研究結(jié)果表明，半圓形設(shè)計的凈功率在流速小于50 ml/min之前最大，但隨著入口流量的增加，高壓降導(dǎo)致泵功率損失較大，因此半圓形設(shè)計的功率降低。同時，基于功率的系統(tǒng)效率圖可以看出，隨著流量的增加，系統(tǒng)效率先增加后降低。并且在整個流量范圍內(nèi)，半圓形設(shè)計可以獲得最高的系統(tǒng)效率，約為93.5%。因此，綜合考慮流道截面結(jié)構(gòu)對輸出功率和效率的影響，半圓形設(shè)計的VRFB優(yōu)于其他兩種設(shè)計。
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