第一作者：张任重

通讯作者：杨卫卫&徐谦

通讯单位：西安交通大学&江苏大学

成果简介

以往的大多数研究主要集中在实验室规模的全钒液流电池（VRFB）流场的性能分析。为了获得适用于大活性面积VRFB的流场，西安交通大学杨卫卫教授团队基于196 cm²的活性面积对三种流场设计进行了三平行放大研究：传统蛇形流场（SFF）、该团队之前设计的回转蛇形流场（RSFF）以及高性能（HP01）流场。通过模拟和实验测试，对三种不同流场设计的性能进行了全面的评估和比较，结果表明，放大后的 HP01 流场在综合性能方面仍然优于放大后的SF和RSFF。通过多物理场分析发现，HP01 流场通过流道间的压力差提高了反应物向电极的输送，增强了局部的肋下传质。通过对这三种结构流场板的实验加工和测试，同样证实了三平行 HP01流场在充放电性能、电压效率和能量效率方面均具有最佳的性能。在150 mA·cm^-2条件下，三平行HP01流场的能量效率比放大后的SFF提升了3%，在高电流密度条件下，三平行HP01 流场的性能优势更加显。

相关成果以“Performance evaluation of multiple-parallel-channel serpentine-like flow fields for vanadium redox flow battery: Simulation and experiment”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。

感谢西安交通大学杨卫卫团队（第一作者：张任重）供稿！

本文所用

螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1）

及不同流场结构石墨板

由武汉之升新能源有限公司提供

研究背景

全钒液流电池（VRFB）是一种极具前景的大规模电化学储能技术。此外，作为迄今最成熟的氧化还原液流电池（RFB）技术，VRFB 正在经历从实验室研究向工业化部署的战略转型。然而，成本问题和能量密度限制仍然是阻碍 VRFB 系统商业化落地的关键障碍，实验室研究与商业应用之间仍存在差距。现有实验和模拟研究均表明，流场结构能够提高VRFB功率密度，因此需要开发适用于更大活性面积和更大电流密度的流场结构。

在西安交通大学杨卫卫教授团队之前的研究中，用自适应等效网络模型和实验加工对流场库进行了性能筛选，最终获得了高性能流场。这些设计的流场通过优化流场布局增强了肋下的传质，从而降低局部过电位并提升 VRFB 的整体性能。为了将已开发的高性能流场应用于更大的活性面积，并研究不同流场结构在较大活性面积条件下对 VRFB 整体性能的影响机制，本研究选择了三种最初为小活性面积设计的流场结构，采用三平行流场放大方法并将其应用于更大的活性面积。通过模拟对比发现，通过三平行放大的RSFF和高性能流场在能量效率和压降方面均优于三平行放大后的蛇形流场。通过物理场分析发现，三平行高性能流场通过流道间压力差驱动更多反应物渗透到反应物不足的区域，从而增强电化学反应。随后进行了三种大面积流场板的加工，并对三种结构的流场板进行了性能对比测试，结果表明三平行放大后的高性能流场表现出最佳的整体性能。本研究的目标是开发适用于大活性面积VRFB的流场结构，以此来增强其内部的传质，并为大面积流场设计提供思路和参考。

核心内容

1.流场结构设计与放大

图1：流场示意图

a)三平行蛇形流场；b) 三平行回转蛇形流场；c) 三平行HP01流场

为了将针对小活性面积所开发的流场结构应用于具有更大活性面积的 VRFB，本研究对流场结构开展了放大研究。在本文中将原本为实验室规模（活性面积小于 50 cm²）设计的流场结构应用于电堆规模的液流电池（活性面积大于 150 cm²）。图1展示了三种三平行放大的流场结构：传统蛇形流场（SFF）、回转蛇形流场（RSFF），以及通过网络模型筛选得到的高性能流（HP01流场）。绿色区域表示流道区域，灰色区域表示肋下电极区域，红色箭头表示流道内的流动方向。将三个原本为小面积 VRFB 设计的流场平行排列，以此来应用于大面积活性区域中。

2.流场结构性能整体性能对比

三平行放大后的流场性能（图2）呈现出与小面积结构高度一致的规律：SFF在放大后仍表现出最高的充电电压和最低的放电电压，这导致了其最低的电压效率。RSFF和HP01流场均保持着更优的电压效率，其中HP01流场始终领先。压降结果显示，三平行RSFF和HP01流场明显优于三平行SFF，说明多平行放大方法具有良好的结构一致性，也验证了将针对小面积设计的流场结构应用于更大活性面积的有效性。多物理场分析进一步揭示了HP01流场通过相邻流道间压力差推动反应物深入补给电极内部，有效减少了传质死区的存在并提升整体反应活性。综合能量效率和系统效率来看，三平行HP01流场依然表现最佳；尽管相对于三平行RSFF流场压降略高，但在大面积条件下能量效率对系统性能影响更为突出。

图2：不同流场设计性能对比

a) 在 100 mA·cm⁻² 电流密度条件下的充电曲线；b) 在相同条件下的放电曲线；c) 不同入口流量下的压降；d) 能量效率和系统效率

3.均匀性分析

电极内部反应物分布的均匀性以及电流密度分布的一致性对电池性能具有关键影响。图3比较了三种流场在 SOC=0.5 与 SOC=0.8 充电状态下的电流密度与反应物浓度均匀性。结果显示，三平行放大的 HP01 流场在两项指标上均表现最优，这是由于其独特的流道结构在放大后仍能通过相邻通道间的压力差有效驱动反应物进入电极“死区”，从而提升传质效率。此外，SOC=0.8 时的均匀性明显劣于 SOC=0.5，原因在于反应物浓度降低，使得在电池充电末期高 SOC 状态下的过电位更加突出。

图3：在不同SOC条件下的均匀性系数分析

a) SOC = 0.5；b) SOC = 0.8

4.内部物理场分析

图4展示了三种流场结构在 SOC=0.8 放电条件下，于电极厚度中部截面处的V³⁺离子浓度分布，流场入口位于右上角，出口位于左下角。可以看出，三平行SFF的平均浓度显著较低，其传质增强区域主要集中在肋下位置。在这些对流增强区域，相邻流道之间的压力差能够驱动额外的反应物进入电极，但是在电极中央对流较弱的区域，则会形成明显的电化学反应“死区”。这些弱传质区域会提升局部过电位，从而影响 VRFB 的整体充放电性能。长期来看，浓度分布不均还可能加速电极材料的劣化。相比三平行SFF，三平行RSFF和三平行HP01流场在电极内部呈现更高的平均浓度和更好的均匀性，这是因为两者在电极中央区域的肋下对流增强更加明显，使反应物能够更深层渗透进入电极。尤其是与三平行RSFF相比，三平行HP01流场在进一步削弱传质“死区”方面表现更优，如图4(b)与图4(c)中浅白色框所示区域，两者在对应区域的浓度差异较为明显。

图4：在 SOC = 0.8 条件下，不同流场结构浓度分布对比分析

a）三平行蛇形流场；b）三平行回转蛇形流场；c）三平行高性能流场

图5展示了三平行放大后的RSFF与HP01流场的压力分布截面，对比区域选取自图4中的白框区域。图5(a) 与图5(b) 分别给出了两种流场的压力分布及局部放大图，可以看出：三平行RSFF 在该区域的压力分布更为均匀，而三平行HP01流场则在相邻流道之间形成了更大的压力差。较大的相邻通道压力差显著增强了三平行HP01流场的肋下对流能力，从而实现对“死区”区域更有效的反应物补给。图5(c) 展示了相邻通道间压差的具体数值，也进一步验证了三平行HP01流场在相邻流道间拥有更大的压差。在局部放大的橙色区域可以看到：三平行RSFF的流道间压差较，这直接造成了“死区”的形成，而三平行HP01流场则通过优化后的流场结构显著提高了该区域内的流道间压差，大幅强化了肋下对流。

图5：相邻流道压差分析

a）三平行回转蛇形的截面压力分布；b）三平行高性能流场的截面压力分布；（c）相邻通道之间的压差

5.实验性能对比

为全面验证三平行流场放大的有效性，我们加工制备了三种不同结构的流场板，图6展示了三种流场板的实物照片，其正极和负极流场均采用对称设计。图7系统展示了在196cm²大面积条件下，三种三平行流场的实验性能对比。图10(a)-(b)为在 300 mL·min^-1流量下获得的充放电曲线。在100 mA·cm^-2的电流密度条件下（图7a），三平行 SFF具有最高的充电电压以及最低的放电电压，而三平行 HP01流场则展现出充电电压最低、放电电压最高、容量最大的最佳性能，三平行RSFF 介于二者之间。尤其在充放电末期，三种流场性能差异更加明显，验证了三平行HP01流场在减少传质死区方面的显著优势。在150 mA·cm^-2的电流密度条件下（图7b），相比 100 mA·cm^-2，更高电流密度进一步放大了三平行HP01流场与三平行RSFF的性能优势，说明其流场结构可以更好地适应于高电流密度工况需求。图7(c) 进一步给出了10–150 mA·cm^-2的极化曲线和输出功率。极化曲线通过在固定电量充电后，以不同电流密度放电并记录平均电压和电流获得。随着电流密度升高，三平行SFF的放电电压快速下降，输出功率差异逐渐扩大；而三平行RSFF和三平行HP01流场的电压下降更缓，并且可以保持较高地输出功率。在150 mA·cm^-2时，与三平行SFF相比，三平行HP01流场的放电电压提高了3.22%，三平行RSFF提高了2.37，进一步说明了三平行HP01流场具有更强的电化学适应性。图7(d)-(e)分别展示了100 mA·cm^-2与150 mA·cm^-2电流密度条件下的库仑效率（CE）、电压效率（VE）和能量效率（EE）。在两种工况下，三平行HP01流场始终具有最高 EE。在150 mA·cm^-2的电流密度条件下，三平行RSFF和三平行HP01流场的EE分别比三平行SFF提高了2.27%和3%，同时三平行HP01流场也实现了更高的库仑效率和更长的充放电时长，这得益于其更强的传质能力与更低的局部过电位损失。图7(f) 对三种流场的压降进行了对比，为了避免酸性电解液腐蚀压力传感器，测试使用水作为工作介质。结果表明，三平行RSFF与三平HP01流场的压降显著低于三平行SFF，体现了其更优的流动性能与结构设计优势。

图6：刻有不同流场结构的石墨板实物图：

a）三平行蛇形流场；b）三平行回转蛇形流场；c）三平行HP01流场

图7：不同流场结构的实验性能比较

a) 在100 mA·cm⁻² 电流密度下的充放电曲线；b) 在150 mA·cm⁻² 电流密度下的充放电曲线；c) 放电电压曲线及输出功率测试；d) 在100 mA·cm⁻² 电流密度下的效率；e) 在150 mA·cm⁻² 电流密度下的效率；f) 压降测试

结论展望

综上所述，流场结构在传质与整体性能提升中发挥着重要作用，因此受到广泛关注。西安交通大学杨卫卫教授团队基于前期设计的RSFF和HP01流场，本研究对三平行流场放大进行了探究。数值计算结果表明，在三种流场结构中，三平行 HP01 流场展现出了最高的能量效率。此外，三平行 RSFF 和 HP01 流场的压降均显著低于三平行 SFF。多物理场分析显示，三平行HP01 流场通过相邻流道间的压差配置，增强了反应物向电极的补给，从而减少了电极内部的传质死区。同时通过实验加工制备了刻有三平行SFF、RSFF和HP01流场的三种流场板，并进行了对比测试，对不同电流密度下的充放电曲线、库仑效率、电压效率、能量效率、压降及输出功率进行了评估。充放电曲线分析表明，三平行HP01流场具有最高的电压效率和充放电容量。在 100 mA·cm^-2与 150 mA·cm^-2的电流密度下，三平行RSFF和HP01流场均具有更高的能量效率。尤其是在 150 mA·cm^-2的运行条件下，相对于三平行SFF，三平行RSFF的能量效率提升了2.27%，三平行HP01流场的能量效率提升3%。此外，在不同电流密度下的放电电压及输出功率的比较中，三平行RSFF与HP01流场均表现出更优的性能，并且在高电流密度条件下其优势更加显著。本研究的数值计算和实验分析为 VRFB 在放大过程中的流场设计提供了重要参考。

文献信息

Ren-Zhong Zhang, Meng-Yue Lu, Wei-Wei Yang, Jia-Chen Li, Qian Xu, Performance evaluation of multiple-parallel-channel serpentine-like flow fields for vanadium redox flow battery: Simulation and experiment, Journal of Energy Storage, 150 (2026) 120513.

https://doi.org/10.1016/j.est.2026.120513