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【前沿追蹤】流道截面形狀對(duì)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(shí)間：2022-11-21

【概要描述】【前沿追蹤】流道截面形狀對(duì)液流電池性能的影響——半圓形勝出！

研究背景

對(duì)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(shí)驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)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(chǎng)的宏觀優(yōu)化與重構(gòu)是目前最熱門的研究熱點(diǎn)之一。與實(shí)驗(yàn)探索相比，數(shù)值方法對(duì)于不同的控制策略和模型結(jié)構(gòu)會(huì)更加方便和高效。目前，已經(jīng)存在一些研究著重于對(duì)電極的改進(jìn)和流場(chǎng)的優(yōu)化上，但關(guān)于流道截面形狀對(duì)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(bào)道過。這里將探討由山西大學(xué)Fu-zhen Wang等關(guān)于通過對(duì)流道截面重構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)全釩流電極傳質(zhì)增強(qiáng)及電池性能優(yōu)化的工作。

研究亮點(diǎn)

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(qiáng)電解液的滲透性并促進(jìn)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(cè)充放電過程，并通過已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。作者基于該模型，研究了流道截面形狀對(duì)多物質(zhì)輸運(yùn)行為和電池性能的影響，也為未來全釩液流電池的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)。

研究?jī)?nèi)容

本篇內(nèi)容對(duì)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(jìn)行了解。為了驗(yàn)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(jìn)行了對(duì)比，如下圖所示。在模型驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)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(cè)全釩液流電池的充放電過程。

文章首先研究了不同流道結(jié)構(gòu)（半圓形流道、矩形流道和三角形流道）對(duì)全釩液流電池性能的影響。對(duì)于充放電電壓的研究結(jié)果表明，SOC從0.1變化到0.9，VRFB完成充電過程，半圓形流道需要最低充電電壓，三角形流道消耗最高充電電壓。而當(dāng)SOC從0.9變化到0.1，VRFB向外部放電，半圓形流道釋放最高的放電電壓，三角形流道提供最小的放電電壓。傳統(tǒng)矩形流道的電壓性能介于半圓形和三角形流道之間，說明新型半圓形流道設(shè)計(jì)可以大大提高傳統(tǒng)VRFB的充放電性能。

而不同流道設(shè)計(jì)下過電位隨SOC的變化曲線表明半圓形流道VRFB具有最小的過電位，而矩形和三角形的流道要差得多。隨著放電的進(jìn)行，VRFB的過電位先下降后上升。半圓形流道的優(yōu)勢(shì)在SOC = 0.1 時(shí)更為顯著。

流道形狀對(duì)極化曲線的影響表明電流密度的增加會(huì)導(dǎo)致放電電壓的降低。而半圓形通道設(shè)計(jì)產(chǎn)生最高電壓在相同電流密度下，說明半圓形設(shè)計(jì)的極化損耗最小，極化現(xiàn)象最不明顯。全釩液流電池中較低的過電位意味著較低的極化損耗，這會(huì)導(dǎo)致較高的電壓，因此，半圓形通道設(shè)計(jì)可以促進(jìn)多物種的傳輸，降低電壓損耗，提高 VRFB 的性能。

多孔電極中釩離子的濃度值和濃度分布對(duì)于評(píng)價(jià) VRFB 的性能非常重要。因此通過對(duì)V²⁺離子進(jìn)行濃度分布的研究可以清楚地看到，平均濃度從左到右逐漸減小，說明半圓形流道更有利于活性離子向電極的傳輸。并且，半圓形設(shè)計(jì)的濃度分布比矩形和三角形流道更均勻。

通過對(duì)在SOC = 0.2 條件下的三個(gè)流道在不同切割平面上的 V²⁺離子平均濃度值研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在電極的 1L/4、1L/2 還是 3L/4 切面，半圓形流道中的V²⁺的平均濃度最高，半圓形設(shè)計(jì)的濃度值在 3/4L 剖切面上比矩形通道高 10.6%，比三角形通道高 15.5%，因此半圓形設(shè)計(jì)可以顯著提高基于矩形流道的 VRFB 的性能。

研究還對(duì)V²⁺離子在不同流道放電時(shí)的均勻度因子進(jìn)行了探討，可以看出濃度均勻度隨著VRFB的放電而不斷降低，半圓形流道的均勻性因子高于矩形和三角形設(shè)計(jì)，并且在放電結(jié)束時(shí)更加明顯。半圓形流道的均勻度系數(shù)比矩形流道提高9%，比三角形流道提高15.4%，這表明半圓形流道更有利于傳質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)也探究了不同流速下不同流道構(gòu)造對(duì)電池性能的影響。從結(jié)果可以看出，具有半圓形流道的 VRFB 在三種流道設(shè)計(jì)中無(wú)論在SOC = 0.2 還是在SOC= 0.8時(shí)都能達(dá)到最佳性能，并且半圓形流道在低流速條件下表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)。

傳質(zhì)和流體動(dòng)力學(xué)行為的差異可能是導(dǎo)致不同的流道設(shè)計(jì)下 VRFB 的電壓特性不同的主要原因。因此對(duì)雷諾數(shù)進(jìn)行研究可作為評(píng)價(jià)傳質(zhì)行為的性能指標(biāo)。從結(jié)果來看，高流速導(dǎo)致高雷諾數(shù)，并且具有半圓形流道的VRFB可以獲得最大的雷諾數(shù)，表明流體動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)之間的協(xié)同作用更好，從而導(dǎo)致 VRFB 的電池性能更好。由于半圓形設(shè)計(jì)中的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)矩形設(shè)計(jì)，因此半圓形流道可以增強(qiáng)VRFB的傳質(zhì)性能，促進(jìn)電極中的電化學(xué)反應(yīng)。

研究同樣探索了放電過程中三個(gè)流道的濃度均勻性因子隨流量的變化。結(jié)果表明在相同流量下，半圓形流道的濃度均勻性因子最大，三角形設(shè)計(jì)最低。濃度均勻性因子越高，意味著傳質(zhì)行為越好，從而可以帶來更好的電池性能。因此，大流量的應(yīng)用和半圓形流道的使用是提高VRFB性能的有效措施。

最后，實(shí)驗(yàn)探究了不同流道設(shè)計(jì)對(duì)電池的輸出功率和效率的影響，結(jié)果表明半圓形設(shè)計(jì)比其他兩種設(shè)計(jì)輸出功率更高，并且半圓形設(shè)計(jì)在低入口流量方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯，可以看出半圓形設(shè)計(jì)的VRFB對(duì)實(shí)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(jì)具有最高的壓降，這對(duì)電池性能是不利的。深入研究結(jié)果表明，半圓形設(shè)計(jì)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(jì)的功率降低。同時(shí)，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(gè)流量范圍內(nèi)，半圓形設(shè)計(jì)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(duì)輸出功率和效率的影響，半圓形設(shè)計(jì)的VRFB優(yōu)于其他兩種設(shè)計(jì)。

總而言之，半圓形流道設(shè)計(jì)優(yōu)于傳統(tǒng)矩形流道和三角形流道的設(shè)計(jì)，對(duì)提升液流電池性能能起到最好的效果，因此可在未來的液流電池流道設(shè)計(jì)中予以考慮。