第一作者：侯艳博
通讯作者：韩青松
通讯单位：内蒙古工业大学
成果简介
全钒液流电池（VRFB）兼具安全性高、可扩展性好和适合大规模储能等优点，但双极板流道结构会同时影响电解液传质、极化损失及系统泵耗。本研究提出一种新型凹陷梯形蛇形流道（concave trapezoidal serpentine channel，CTSC），在保持流道顶宽和横截面积一致的前提下，与梯形和半圆形流道开展对比。基于三维稳态流动—传质—电化学耦合模型，并结合单电池实验验证，模型在SOC=0.35时最大放电电压偏差仅为2.37%。结果表明，CTSC可同时实现更低充电电压、更高放电电压和更小极化损失；相较梯形流道，压降和泵功分别降低2.53%–5.94%和2.53%–5.93%；相较半圆形流道，分别降低9.22%–11.04%和9.22%–11.03%。在考虑泵功修正后，CTSC在60–180 mA/cm2范围内始终保持最高电压效率，较梯形和半圆形流道分别提升1.36%–3.83%和1.91%–5.30%。
感谢内蒙古工业大学韩青松团队（第一作者：侯艳博）供稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-1）
由武汉之升新能源有限公司提供
背景分析
近年来，矩形、梯形、半圆形以及渐变型流道等结构均被用于提升传质并降低流阻；同时，拓扑优化和机器学习辅助设计也逐步应用于VRFB流场开发。但现有研究更多聚焦于边界尺寸、壁面倾角或多级渐变形式，对于“兼具凹曲面与梯形轮廓”的复合截面系统研究相对有限。针对这一空白，作者提出CTSC流道，希望在强化电解液穿透与更新的同时，兼顾压降与泵功控制。
图文解析
1. 流道结构设计与模型验证
针对VRFB中双极板流道优化需求，作者在传统梯形与半圆形蛇形流道基础上提出CTSC，并在相同流道顶宽、横截面积及电极接触面积条件下进行公平比较。模型采用稳态、等温、层流、忽略重力及仅质子穿膜等假设，耦合了流体流动、物质传输、Brinkman方程和电化学反应动力学；通过网格无关性分析，最终选取约160万单元作为数值计算基准。实验方面，研究使用活性面积25 cm²的单电池，在35mL/min和60mA/cm2条件下对模型进行验证。
验证结果表明，数值模拟与实验充放电曲线吻合良好，SOC=0.35时最大放电电压偏差仅为2.37%。在同一SOC下，CTSC相较另外两种流道通常表现出更低充电电压和更高放电电压，说明该流道有助于减小充放电电压差并抑制综合极化，为后续性能提升奠定了基础。
图1. (a)全钒液流电池（VRFB）的结构组成与工作原理示意图 (b)网格无关性验证结果：不同网格数量下电池放电电压的变化 (c)全钒液流电池单电池实验测试平台示意图 (d)实验结果与数值模拟结果的充放电电压对比 (e)充放电电压随 SOC 的变化
2. 极化行为、压降与泵功的综合比较
在35mL/min入口流量下，三种流道的放电极化曲线均随电流密度增加而近似线性下降，但CTSC始终保持最高放电电压，表明其欧姆极化和浓差极化更小。在SOC扫描结果中，CTSC正、负极过电位在大多数SOC范围内更接近零值，说明流道截面优化有效改善了反应物补给和反应分布。
从水力性能看，随着入口流量由30增加至180mL/min，三种流道的压降与泵功均显著上升，但CTSC在整个流量范围内始终最低。与梯形流道相比，CTSC压降降低2.53%–5.94%，泵功降低2.53%–5.93%；与半圆形流道相比，上述降幅分别扩大至9.22%–11.04%和9.22%–11.03%。在180mL/min时，CTSC相对半圆形流道的压降和泵功降幅最大，均约11%。进一步引入泵功修正后的电压效率评价后，CTSC在60、90、120、150和180 mA/cm2下分别达到88.13%、83.24%、78.59%、74.22%和70.11%，展现出更优的“传质增强—辅助能耗控制”平衡。
图2三种流道截面下 VRFB 的极化曲线与电极过电位对比:(a) SOC = 0.5 时不同电流密度下的放电极化曲线；(b) 电流密度 60 mA/cm2时正、负极过电位随 SOC 的变化。
图3三种流道截面下压降与泵功的对比:(a) 压降随入口流量的变化；(b) 泵功随入口流量的变化。
图4基于泵功率的电压效率
3. 传质与流场分布机理分析
为揭示性能提升机理，作者分别在电极厚度的1/4、1/2和3/4位置分析活性钒离子浓度分布。结果表明，CTSC在三个特征截面上均呈现更宽的高浓度覆盖区域和更均匀的分布，平均浓度分别达到256.63、237.55和210.97moL/m3；沿流向的归一化浓度整体也高于另外两种流道，说明其更有利于电解液向电极深层渗透并减缓下游区域的浓度衰减。
速度场分析进一步表明，CTSC在通道和电极邻近区域形成了更合理的局部加速—减速过程。该过程能够持续扰动并更新浓度边界层，缓解局部低速区和反应物耗尽区，从而兼顾传质强化与流阻降低。总体来看，CTSC通过调控通道—电极界面的流体分布和穿透行为，实现了传质与水力损失的协同优化。
图5不同流道截面下电极内部活性钒离子浓度分布云图:(a)-(c) 电极厚度 1/4 切面处的浓度分布，分别对应梯形、半圆形和 CTSC 流道；(d)-(f) 电极厚度 1/2 切面处的浓度分布，分别对应梯形、半圆形和 CTSC 流道；(g)-(i) 电极厚度 3/4 切面处的浓度分布，分别对应梯形、半圆形和 CTSC 流道。
图6 不同流道截面形状下电极内活性物种浓度分布特征对比：（a）电极 1/4、1/2 和 3/4 特征横切面处的平均活性钒离子浓度；（b）电极中部横线沿 x 方向的归一化活性钒离子浓度分布。
图7 不同流道截面下流道内速度分布云图(a) 梯形流道；(b) 半圆形流道；(c) CTSC。
图8 不同流道截面下电极中部区域流速分布的定量比较
本研究证明，在不改变流道顶宽和横截面积的前提下，通过对蛇形流道截面进行凹陷梯形重构，可以显著改善全钒液流电池的综合性能。CTSC不仅在极化、压降、泵功和泵功修正电压效率方面均优于梯形和半圆形流道，而且在高电流密度下优势更加明显。这一结论为VRFB双极板的精细化设计提供了有价值的参考。
同时，论文也指出，当前研究主要针对单电池和单一蛇形流场展开，CTSC在电堆尺度下的流量分配、累计压降、加工一致性及制造成本仍需进一步评估。后续若能结合电堆级模拟与实际加工工艺优化，CTSC有望在大规模储能系统中展现更高的应用价值。