通讯作者：张磊
通讯单位：大连理工大学
DOI：10.1016/j.est.2026.124832
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
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1.反应物的分布均匀性
图1.电池中电解质传输的空间分布特性
在三种流场配置中，各流道间的压差呈现出显著差异。在SFF配置中，恒定的流道宽度使得相邻流道间的压差相对较小且近乎均匀，平均水力压差为ΔP=78.13Pa。在GSFF配置中，流道间压差从入口端（ΔP=54.91Pa）到出口端（ΔP=249.37Pa）逐渐增大，表明对流增强效应主要集中在下游区域。相比之下，PGFF配置在整个流道中始终保持较大的流道间压差（ΔP=251.34Pa）。
电解质流速及V²⁺浓度分布表征结果表明PGFF在整个电极区域内均维持较高的电解质流速，同时在肋下表现出显著的流速增强效应。增强的肋下对流显著调控了活性物质分布，V²⁺浓度分布曲线与流速场分布呈现出高度一致性。在三种设计方案中，PGFF凭借增强的肋下对流实现了最高的浓度均匀性，其次为GSFF与SFF。此外，不同流场结构呈现出显著差异的流速分布特征：PGFF的整体流速显著高于SFF与GSFF，同时展现出独特的周期性流速变化。与在SFF和GSFF中观察到的八个速度峰不同，PGFF仅表现出四个主要峰，其位置恰好对应于“宽–窄–宽”通道之间的肋区。在第一个流速波形中，PGFF的峰值流速为0.35mm s⁻¹，谷值流速为0.32mm s⁻¹，流速衰减率为8.45%，分别比SFF和GSFF的衰减率低72.45%和80.27%。即使在主峰之后的显著流速谷值处，PGFF仍保持0.17mm s⁻¹的流速，高于SFF的峰值流速（0.10mm s⁻¹）。结果表明PGFF有效抑制了相邻宽通道之间的电解质流速耗散，从而维持了较高的整体流动强度，并增强了整个电极内的质量传输。
V²⁺的空间浓度分布进行了多维定量分析结果表明，三种流场中的浓度分布特征存在显著差异。SFF沿中心线呈现连续的浓度衰减，而GSFF与PGFF由于肋下对流增强，均保持显著更高的浓度水平，其中PGFF的平均浓度最高。对比分析证实，PGFF在流动方向上实现了最优的纵向质量传输效率。
2.不同流场下的性能对比
图2.电池在不同流场条件下的模拟电化学性能
对于所有配置，电解质速度均随入口流量的增加而增大。在所考察的设计中，PGFF在整个研究工况范围内始终表现出最高的平均电解质速度，此现象源于PGFF的周期性收敛–发散通道结构，该结构形成了显著的通道间压差，并诱发了强烈的肋下对流。由此产生的对流传输增强不仅提高了电极内的电解质速度，还促进了反应物分布的均匀化，从而提升了整体传质性能。不同流量及不同电流密度下UF的分布特性显示在大多数工况条件下，PGFF均展现出最高的UF，从等值线图中的主导红色区域得以体现。在相同的运行条件下，PGFF始终展现出更优异的均匀性性能，凸显了其在确保反应物均匀分布方面的卓越稳定性。结果表明，PGFF设计显著改善了传质过程，确保了电极内反应物的均匀分布，并提升了电化学反应性能。
此外，在流量范围为10–30mL min⁻¹时，所有流场条件下的电池电压（Ecell）均随电流密度的增加而单调下降，主要归因于多孔电极内浓差极化的加剧。相比之下，PGFF在所有条件下均表现出最佳的Ecell性能。具体而言，在电解质供给量为10mL min⁻¹时，PGFF在200和250mA cm⁻²下的Ecell分别达到1.29V和1.27V，较GSFF分别高出2.45%和3.36%。并且，增加流量可改善反应物的传质效果，并缩小不同流场间Ecell的差异。
雷达图分析结果表明PGFF不仅通过增强肋下对流提升了传质效率，还优化了电解质分布与反应动力学，从而在经济有利运行条件下展现出卓越的综合性能。
图3.电池在不同流场条件下的实验性能评估
在300mA cm⁻²下，PGFF基电池的充放电曲线展现出明显的性能优势。与SFF和GSFF相比，PGFF具有更低的充电电压、更高的放电电压以及更大的放电容量。此外，当电解液供给量限制在10mL min⁻¹时，PGFF在150、200及250mA cm⁻²下分别展现出显著更高的EE，分别为76.04%、70.38%及64.90%。相较于SFF，分别对应EE提升2.94%、4.57%及5.62%；而与GSFF相比，EE提升幅度分别为1.72%、3.57%及4.57%。在较高流量条件下（20、30及40mL min⁻¹），PGFF仍保持相较于SFF与GSFF更优的EE特性，且不同流场间的性能差异随流量增加而逐渐减小。而且，在相同流动条件下，PGFF始终展现出更优异的电流密度耐受性，同时保持更高的EE性能。
此外，对比在250–450mA cm⁻²与5–50mL min⁻¹内的三种流场结构性能实验结果表明PGFF在低流速和高电流密度条件下表现出更强的运行耐受性，在所研究的参数范围内，保持了更广泛的实验可及工作区域，并普遍具有更高的EE。在30种工作条件下，PGFF的有效工作范围达到63.33%，相较于SFF提高了58.33%，相较于GSFF提高了18.75%。而且，在极低流速5mL min⁻¹条件下，SFF和GSFF在250mA cm⁻²时完全失效，而PGFF仍能保持稳定的充放电性能。
3.流场的几何特性参数
图4.基于流场设计优化的肋下对流增强基本机理及定量分析
为定量表征流场中几何结构的贡献效应，本文引入一个基于几何特征的通道特征参数γFF作为几何描述量。对不同流场的比较分析表明，PGFF凭借非线性梯度设计，在γFF上实现了系统性提升，相较于SFF（恒定γFF）和GSFF（线性递增γFF）均展现出显著更优的性能。定量而言，SFF的γFF为0.34mm⁻³，而GSFF的γFF则从0.18mm⁻³增至1.12mm⁻³。相比之下，PGFF的最大γFF达到1.42mm⁻³，相较于SFF提升了316.33%，相较于GSFF的峰值γFF提升了25.96%。基于已建立的γFF-ΔP关联式，可直接推导出不同流场配置下的压差分布。PGFF始终维持较高的γFF，从而在整个流场中保持最大的水力压差（ΔPPGFF>ΔPSFF）。相反，GSFF的压降水平仅在末端通道接近PGFF（ΔPGSFF≈ΔPPGFF），而其大部分流域区域的压降仍远低于PGFF的基准值。SFF则完全不具备压差调控能力，在所有通道中始终保持最低的恒定压差。预测结果与数值模拟结果高度吻合，证实了γFF作为压差强度预测指标的有效性。
为深入理解设计原理，本研究系统性地探究了通道宽度收敛–发散强度的影响（以参数α量化）。随着α的增大，宽通道与窄通道之间的差异逐渐扩大，导致通道特征参数γFF单调上升。α₁的取值为1.26，对应的γFF为0.36mm⁻³；而α₇的取值为13.60，对应的γFF为21.85mm⁻³。当α₈时，其值趋近于+∞，此时PGFF退化为传统的五通道SFF设计，对应的γFF为0.12 mm⁻³。数值模拟结果证实，通道间压差遵循严格的等级顺序：ΔPα₇>ΔPα₆>ΔPα₅>ΔPα₄>ΔPα₃>ΔPα₂>ΔPα₁>ΔPα₀>ΔPα₈。此外，电极内部的速度分布表明在流量为10mL min⁻¹时，α₇展现出最优的传质性能，电极内平均速度达到0.37mm·s⁻¹，相较于α₈实现了780.95%提升。结果与理论分析一致表明增加α可通过增强局部压差、促进电解质渗透以及实现更均匀的反应物分布，从而协同优化传质过程。
图5.PGFF在不同α下的电池性能
增大α值可同时提升传质效率并增加泵送损失，较大的α可显著提高放电电压，尤其在低流速工况下更为明显。在10mL min⁻¹流速条件下，α7构型可实现95.98%的UF，较α1结构（78.45%）提升22.34%，归因于更强的肋下对流作用所带来的更有效的反应物补充。然而，性能提升伴随着显著的水力代价：在相同流速下，α3与α7之间的压降差（4.87kPa）达到α0与α3之间压降差（0.29kPa）的16.8倍。此外，每种构型均在特定流速下呈现一个Pnet峰值，且随着α的增大，相应最优流速逐渐向更低流速方向偏移，从α₁时的50mL min⁻¹递增至α₇时的10mL min⁻¹。此现象表明高α构型更适用于低流速工况，在此工况下既能保留传质效益，又可避免过大的泵送损失。