液流电池流道设计类型对系统性能的影响


来 源: 原创 作 者: 罗旋 发表在: 资讯 发表时间: 2022-08-09 10:00:28

今年六月份,国家能源局综合司发布的关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求(征求意见稿)》意见的函中明确要求中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,这充分显示了国家对大规模储能方面安全性的着重考虑。液流电池,作为最具有前景的储能技术之一,其由于储能规模大,安全性高,寿命长,充放电响应快速等特点受到了越来越多的关注。
液流电池非常重要的一个特点就是其电解液储存在外部不同的储液罐中,可以通过控制储液罐的容量实现对储能规模的控制,储液罐中的电解液通过在储罐与电堆间的循环流动实现充放电反应,其储能系统结构图如下所示。液流电池中的充放电反应会受到反应离子的传质过程的影响,主要包括流道中电解液的流动、多孔电极中电解液的流动以及反应离子的扩散与迁移的影响。液流电池中的流道结构会对电极中的电解液流速分布以及反应离子分布产生重要影响。


液流电池中的流道设计通常借鉴燃料电池中的平行流道、交叉型流道以及蛇形流道。从现有的经验来看,与无流道设计相比,交叉型流道和蛇形流道可以显著降低电解液通过多孔电极时的压降,提升多孔电极中电解液流速分布以及反应离子分布的均匀性。对于无流道设计的液流电池而言,电解液流动倾向于进出口直线流动,偏离直线部分电解液流动显著减少,从而造成电极中不同部分的电解液分布极不均衡的现象,使得不同部位的离子反应程度受制于传质过程中的电解质分布,从而导致多孔电极中较大的过电位,降低液流电池的极限电流密度和电压效应。



液流电池中的流道结构对液流电池系统性能的影响主要体现在对电极中浓差过电位的影响以及对液流电池进出口压降的影响。流道结构会影响液流电极中电解液流速,从而影响电极中碳纤维表面的反应离子浓度,最终影响浓差过电位大小及分布。电极中流速分布受局部电解液流量分配以及电极中压力梯度影响。在较高的电解液流速下,反应离子的输运速率显著增快,从而提高电极中碳纤维表面反应离子浓度,最终降低电极中浓差过电势。因此流道设计对电极中电解液流速分布均匀性有显著影响,可以有效避免局部反应离子供给不足的问题。另一方面,电池进出口压降也是液流电池系统的一个考察参数,其数值受电解液在流道中流动以及电解液在多孔电极中流动的影响,流道设计可以通过在流道作用下实现电解液的局部分配,降低其流量和流动路径,显著降低进出口压降,从而减少驱动电解液流动所需泵的功的大小。
目前针对液流电池流道的设计包括:平行流道、交叉型流道、蛇形流道、回型流道和仿生学流道等。其中蛇形流道和交叉型流道由于加工方便、效果突出而受到广泛关注。目前研究也主要集中在针对流道对电解液渗入分布、内部传质以及进出口压降的影响而进行新型流道设计。当电解液进入流道后,在与电极的交界面渗入、流经、渗出电极,并从出口离开流道。对于电极局部,电解液在电极交界面的渗入量越高则反应离子供应越充足,对应的浓差电位越小。
交叉型流道设计,电解液从入口流入后,会从入口主流道分支成支流道,最后从电池出口流出,属于出入口非连接型流道。蛇形流道则是从入口到出口完全连接,从入口到出口可以选择只流经流道,只流经电极或部分流经流道等。但在相同电解液流量下,蛇形流道的压降要高于交叉型流道,并且电极压缩率也对蛇形流道的进出口压降影响作用更为显著。
此外,一些新型流道设计也不断出现。比如有学者提出可以将交叉型流道直接加工到电极材料上,而非双极板上,这样可以获得更加均匀的反应离子分布。主要是由于加工在电极上的流道避免了电解液流动死区,使得离子浓度分布均匀性提高,浓差过电位降低,电压效率提高。也有学者提出了一种新型的阻塞型蛇形流道,通过部分阻塞的方式,电解液流动阻力增加,从而促进电解液渗入电极中,提升电极内部传质分布的均匀性,降低浓差过电位。
总而言之,流道设计对于液流电池电压效率提高具有重要作用。相较于没有进行流道设计的液流电池,其电解液在电极中的流速分布以及反应离子分布更加均匀,能够降低电解液进出口压降以及电极中的浓差过电位,从而减少损耗,提高电压效率。
[1]岳孟,郑琼,阎景旺,张华民,李先锋.液流电池流场结构设计与优化研究进展[J].化工进展,2021,40(09):4853-4868.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0558.
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