【前沿追踪】流道截面形状对液流电池性能的影响——半圆形胜出!


来 源: 原创 作 者: 罗旋 发表在: 资讯 发表时间: 2022-11-21 18:09:37

研究背景

       对于全钒液流电池而言,影响其电池性能的关键因素主要包括电解质、多孔电极和选择性离子交换膜等。许多研究人员通过在实验和模拟的基础上进行了大量研究,通过使用多种方法和策略来提高全钒液流电池的性能。其中,流场的宏观优化与重构是目前最热门的研究热点之一。与实验探索相比,数值方法对于不同的控制策略和模型结构会更加方便和高效。目前,已经存在一些研究着重于对电极的改进和流场的优化上,但关于流道截面形状对全钒液流电池传质和电池性能影响的研究还从来没有被报道过。这里将探讨由山西大学Fu-zhen Wang等关于通过对流道截面重构从而实现全钒流电极传质增强及电池性能优化的工作。


研究亮点

       本文作者提出了一种基于通道截面重构的新型电池性能优化方法,可以增强电解液的渗透性并促进离子分布,并建立了全钒液流电池的3D数值模型,可以预测充放电过程,并通过已报道的实验得到验证。作者基于该模型,研究了流道截面形状对多物质输运行为和电池性能的影响,也为未来全钒液流电池的设计提供了参考。结果表明,多孔电极中的传质行为和电池性能受通道截面的影响,进而影响雷诺数和流体力学。而采用半圆形通道截面设计的全钒液流电池由于较低的过电位和更好的活性物种分布均匀性,因此具有最低的充电电压和最高的放电电压。在 3/4L 切面,半圆形设计的平均浓度比三角形通道高 15.5%,并且半圆形流道的均匀度系数比三角形流道高15.4%,因此半圆形是流道截面形状的最佳设计。

研究内容

本篇内容对文中涉及的模型具体参数设置,如边界条件、性能参数、数值细节等不过多阐述,有兴趣的朋友可以阅读原文进行了解。为了验证数值模型的合理性,作者首先将仿真数据与一篇文献的结果进行了对比,如下图所示。在模型验证中,通道截面的形状设置为矩形,可以看出,数值数据和实验结果无论是充电还是放电都表现出良好的一致性,这表明该数值模型能够准确地预测全钒液流电池的充放电过程。


文章首先研究了不同流道结构(半圆形流道、矩形流道和三角形流道)对全钒液流电池性能的影响。对于充放电电压的研究结果表明,SOC从0.1变化到0.9,VRFB完成充电过程,半圆形流道需要最低充电电压,三角形流道消耗最高充电电压。而当SOC从0.9变化到0.1,VRFB向外部放电,半圆形流道释放最高的放电电压,三角形流道提供最小的放电电压。传统矩形流道的电压性能介于半圆形和三角形流道之间,说明新型半圆形流道设计可以大大提高传统VRFB的充放电性能。


而不同流道设计下过电位随SOC的变化曲线表明半圆形流道VRFB具有最小的过电位,而矩形和三角形的流道要差得多。随着放电的进行,VRFB的过电位先下降后上升。半圆形流道的优势在SOC = 0.1 时更为显著。
流道形状对极化曲线的影响表明电流密度的增加会导致放电电压的降低。而半圆形通道设计产生最高电压在相同电流密度下,说明半圆形设计的极化损耗最小,极化现象最不明显。全钒液流电池中较低的过电位意味着较低的极化损耗,这会导致较高的电压,因此,半圆形通道设计可以促进多物种的传输,降低电压损耗,提高 VRFB 的性能。

多孔电极中钒离子的浓度值和浓度分布对于评价 VRFB 的性能非常重要。因此通过对V2+离子进行浓度分布的研究可以清楚地看到,平均浓度从左到右逐渐减小,说明半圆形流道更有利于活性离子向电极的传输。并且,半圆形设计的浓度分布比矩形和三角形流道更均匀。
通过对在SOC = 0.2 条件下的三个流道在不同切割平面上的 V2+离子平均浓度值研究发现,无论是在电极的 1L/4、1L/2 还是 3L/4 切面,半圆形流道中的V2+的平均浓度最高,半圆形设计的浓度值在 3/4L 剖切面上比矩形通道高 10.6%,比三角形通道高 15.5%,因此半圆形设计可以显著提高基于矩形流道的 VRFB 的性能。
    
研究还对V2+离子在不同流道放电时的均匀度因子进行了探讨,可以看出浓度均匀度随着VRFB的放电而不断降低,半圆形流道的均匀性因子高于矩形和三角形设计,并且在放电结束时更加明显。半圆形流道的均匀度系数比矩形流道提高9%,比三角形流道提高15.4%,这表明半圆形流道更有利于传质。

实验也探究了不同流速下不同流道构造对电池性能的影响。从结果可以看出,具有半圆形流道的 VRFB 在三种流道设计中无论在SOC = 0.2 还是在SOC= 0.8时都能达到最佳性能,并且半圆形流道在低流速条件下表现出更明显的优势。
    
传质和流体动力学行为的差异可能是导致不同的流道设计下 VRFB 的电压特性不同的主要原因。因此对雷诺数进行研究可作为评价传质行为的性能指标。从结果来看,高流速导致高雷诺数,并且具有半圆形流道的VRFB可以获得最大的雷诺数,表明流体动力学和传质之间的协同作用更好,从而导致 VRFB 的电池性能更好。由于半圆形设计中的雷诺数远大于传统矩形设计,因此半圆形流道可以增强VRFB的传质性能,促进电极中的电化学反应。
研究同样探索了放电过程中三个流道的浓度均匀性因子随流量的变化。结果表明在相同流量下,半圆形流道的浓度均匀性因子最大,三角形设计最低。浓度均匀性因子越高,意味着传质行为越好,从而可以带来更好的电池性能。因此,大流量的应用和半圆形流道的使用是提高VRFB性能的有效措施。

  


最后,实验探究了不同流道设计对电池的输出功率和效率的影响,结果表明半圆形设计比其他两种设计输出功率更高,并且半圆形设计在低入口流量方面的优势更加明显,可以看出半圆形设计的VRFB对实现电池的高效率并最大程度地减少能量损失具有积极作用。但三种不同流道随流量的压降结果显示半圆形设计具有最高的压降,这对电池性能是不利的。深入研究结果表明,半圆形设计的净功率在流速小于50 ml/min之前最大,但随着入口流量的增加,高压降导致泵功率损失较大,因此半圆形设计的功率降低。同时,基于功率的系统效率图可以看出,随着流量的增加,系统效率先增加后降低。并且在整个流量范围内,半圆形设计可以获得最高的系统效率,约为93.5%。因此,综合考虑流道截面结构对输出功率和效率的影响,半圆形设计的VRFB优于其他两种设计。


总而言之,半圆形流道设计优于传统矩形流道和三角形流道的设计,对提升液流电池性能能起到最好的效果,因此可在未来的液流电池流道设计中予以考虑。

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