第一作者：Xi Liu, Haolong Du

通讯作者：Tengfei Sun，Fengming Chu

通讯单位：北京化工大学

成果简介

  为了提高有机氧化还原液流电池的性能，设计了一种新型蛛网状仿生流场。本论文基于经典流体力学方程与能斯特方程，构建了液流电池多孔电极内多组分输运计算模型，并通过实验验证其可靠性。通过对比蛛网状仿生流场与蛇形流场、平行流场的充放电电压、过电位、浓度分布及均匀性等，表明蛛网状流场的放电电压比蛇形流场高3.35%；蛛网状流场的均匀性系数比蛇形流场高15.55%。蛛网状流场的活性物质平均浓化值比蛇形流场高13.86%。蛛网状仿生流场的强化了多孔电极内多组分输运特性，提高了电池的性能。此外，还研究了网状仿生流场中支路数对电池性能的影响，结果表明，当支路数量为6时，仿生蛛网流场性能最优。

图1 有机氧化还原液流电池实验验证图

本文所用液流单电池测试系统由武汉之升新能源有限公司提供。

相关研究成果以“Design of a cobweb bionic flow field for organic redox flow battery”为题发表在Journal of Power Sources上。

研究背景

  在过去的几十年里，化石燃料的消费是过渡性的，导致了大量的温室气体排放和气候变化。发展可再生能源是解决这些问题最有效的策略之一。然而，可再生能源(如太阳能和风能)应用的主要障碍是间歇性，这可以通过长期储能技术来解决。氧化还原液流电池是一种杰出的长时间储能技术。ORFB因其环保性和低成本而备受关注。流场对氧化还原液流电池的影响十分大。目前国内外关于流场的研究，主要含有平行流场，蛇形流场，指叉流场。美国Maurya等人使用两种不同的流场:传统的蛇形流场和数字间流场研究了钒氧化还原液流电池的效率。他们发现在低电流密度下指叉流场的性能更好。印度理工学院Kumar团队指出，钒氧化还原液流电池(VRFB)在使用蛇形流场时，其能量效率达到最高。美国田纳西大学Hauser团队引入了一种新的等径流场结构，与交叉流场和蛇形流场相比，该流场具有更好的传质性能，但其压降也最高。国内大连理工大学Zhou等人建立了两相流模型，研究了蛇形流场、平行流场、平行蛇形流场和双通道蛇形流场四种阳极流场对电池整体性能的影响。结果表明，蛇形流场是大功率的首选流场，双通道蛇形流场是最佳设计。

核心内容

1.基本性能研究

图1 (a)不同SOC下的充放电电压图 (b) 不同SOC下的过电位图 (c) 极化曲线图 (d) 电极表面电解液电流密度均匀系数

  充放电电压是评价氧化还原液流电池性能的重要参数之一，充放电电压受流场结构的影响。图1(a)给出了三种不同流场充放电过程中的电压变化情况，可以看出，蛛网流场的充电电压最低，蛛网流场的放电电压最高。蛇形流场的电池性能最低。在充电过程中，蛛网状流场的电压比蛇形流场低2.48%。过电位是另一个关键参数，它受传质损失、欧姆电阻和极化损失等因素的影响。三种流场在放电过程中的过电位变化如图1(b)所示。与另外两种流场相比，蛛网流场的过电位绝对值最低。蛛网状流场的过电压比蛇形流场的过电压低67.2%。因此，网状流场的极化损失最小。为了分析多种电流密度条件下蛛网流场对电池性能的影响，得到了在荷电状态为0.1时三种不同流场的极化曲线，如图1(c)所示。三种流场的放电电压均随电流密度的增大而减小。网状流场的放电电压高于蛇形流场和平行流场，这是由于极化电压损失的减小。随着电流密度的增大，网状流场的优势越来越明显。因此，八角形电极与蛛网流场的结合可以显著提高有机氧化还原液流电池的电池性能。电解液电流密度在电极表面的分布也会影响电池的性能。根据浓度均匀系数确定电解液电流密度的均匀系数。三种流场放电过程中电解液电流密度均匀系数的变化如图1 (d)所示。三种流场下，与流场接触的电极表面电解液电流密度均匀系数均呈现先增大后减小的趋势。 

2.传质行为的研究

图2 (a) 电极切面三维图 (b)三种电极1/2切面处的反应物的浓度云图以及八边形电极1/4,1/2,3/4切面处反应物浓度云图 (c) 不同切面处的反应物平均浓度 (d) 均匀性因子图

   极化损失与活性离子的分布和浓度有关。为了准确评估多孔电极中活性离子的分布，将阴极在其整个厚度上分成四个相等的部分，如图2(a)所示。根据图2(a)分析三种流场下多孔阴极中2,6-reDHAQ的分布和浓度。图2(b)为三种流场在SOC=0.8时，2,6-reDHAQ在1L/2切割面上的浓度曲线。结果表明，蛛网状流场的2,6-reDHAQ浓度远大于蛇形流场和平行流场。蛛网流场的应用有利于将活性离子从流场转移到膜附近区域，这对电化学反应具有重要意义。此外，可以很容易地观察到，2,6-reDHAQ在蛛网状流场电极中的分布要比在蛇形流场和平行流场电极中的分布均匀得多。活性离子分布越均匀，极化损失越小，电池性能越好。此外图2(b)还展示了蛛网状流场下多孔电极不同截面上2,6-reDHAQ的浓度分布图，表明2,6-reDHAQ离子在各个平面上分布良好，与之前的结论一致。因此，蛛网流场可以增强2,6-reDHAQ从流场到多孔电极的传质。为了定量准确地评价多孔电极中2,6-reDHAQ的浓度，计算了网状流场、蛇形流场和平行流场在3个不同截面(1/4截面、1/2截面和3/4截面)的平均浓度，如图4(c)所示。在三种流场中，2,6-reDHAQ的平均浓度随着切割平面从流场向膜方向移动而降低。这些现象是由于多孔电极内部阻力造成的。此外，当SOC=0.2和SOC=0.8时，具有蛛网流场的电极中2,6-reDHAQ的平均浓度明显高于其他电极。在SOC=0.2和3/4截面条件下，蛛网状流场的平均浓化值比蛇形流场高13.86%，比平行流场高8.39%。因此，网状流场构型可以增强活性离子的传质，对提高电池性能具有重要意义。本文采用均匀性因子定量评价了活性离子在多孔电极中的分布。图2(d)描述了2,6-reDHAQ均匀性系数在放电过程中的变化情况，从图中可以看出，随着ORFB的放电，均匀性系数明显降低。在相同SOC条件下，三种流场中蛛网流场的均匀系数最高。在SOC=0.1的条件下，蛛网状流场的均匀性系数比蛇形流场高15.55%。

3.净输出功率和功率效率

图3(a)放电过程中的净输出功 (b)放电过程中的功率效率 (c) 不同流场的压降

  净输出功率和功率效率是评价ORFB功率性能的关键参数。图3(a)是三种流场的净输出功率随不同soc的变化情况，从图中可以看出，净输出功率随着ORFB的放电而减小。蛛网状流场和平行流场的净输出功率均高于蛇形流场。图3(b)显示了基于功率的效率随soc的变化。平行流场的功率效率在三种流场中最高。蛛网状流场的功率效率高于蛇形流场。这种现象可能是由于流场压降造成的，如图3(c)所示。蛛网流场的压降最大。

4.蛛网型流场支路数量的影响

图4(a)不同支路均匀性因子图 (b) 不同支路的输出功率图 (c)不同支路的效率图

  本文研究了2、4、6和8个分支的蛛网流场。图4 (a)显示了不同流场下均匀度因子随soc的变化情况。具有8个出口的蛛网流场均匀系数最高，表明分支越多有利于物种在多孔电极中的分布。图4 (b)显示了放电过程中输出功率的变化情况，可以看出，具有6个出口的蛛网流场的净输出功率最高。具有8个出口的网状流场净输出功率最低。功率效率在放电过程中的变化如图4(c)所示，其中具有6个出口的蛛网流场功率效率最高。综合图4 (b)和图4 (c)可知，蛛网流场的最优支路数为6。支路过多(超过8个)会导致通道狭窄，从而导致电池性能下降.

结论展望

  本文设计了一种新型的蛛网仿生流场，并基于三维数值模型，将其与常见的蛇形流场和平行流场进行了比较。根据浓度均匀系数，定义了电解液电流密度的均匀系数。结果表明，网状仿生流场可以提高电解液电流密度的均匀性。蛛网状流场的充电电压比蛇形流场低2.48%。网状流场的过电压比蛇形流场的过电压低67.2%。蛛网状流场的均匀性系数比蛇形流场高15.55%。蛛网状流场的平均浓化值比蛇形流场高13.86%。蛛网流场的最优分支数为6。网状流场的设计可以增强传质，提高电池的性能，为ORFB的应用做出贡献。

文献信息

  Xi Liu, Haolong Du, Jiayi Gao, Ziyan Shen, Tengfei Sun, Zhan’ao Tan, Fengming Chu. Design of a cobweb bionic flow field for organic redox flow battery, 2023, Journal of Power Sources.

  https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233848