【论文赏析】祝贺我司客户桂林电子科技大学黄泽波博士团队发表JES：钒液流电池导流优化设计的数值分析

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【论文赏析】祝贺我司客户桂林电子科技大学黄泽波博士团队发表JES：钒液流电池导流优化设计的数值分析

作者：谢兴博士、刘沂林

通讯作者：黄泽波博士

通讯单位：桂林电子科技大学

成果简介

钒液流电池(VRFB)因其稳定性、环保性及良好的可扩展性，已成为长时储能的理想选择。本文通过在流场中设置阻块以引导电解质流动，从而提升电池效率。由于该过程涉及多个物理量的耦合，是一个极其复杂的现象，因此本文重点分析了四个关键性能参数（压降、平均浓度、充放电电压、过电位）与两个外部物理量（阻块直径、流速）之间的关系。通过研究，推导出阻力最优系数 (obstruction optimal coefficient ， OOC) 的经验公式。此外，本文通过动态调整设计参数，计算OOC值，并找到最大值，从而确定最优的流场设计。为验证所提出的经验公式的准确性和实用性，本文在不同流量条件下进行了仿真测试，结果证实了公式的有效性和实用性。

相关研究成果以“Numerical analysis of the design optimization obstruction to guide electrolyte flow in vanadium flow batteries”为题发表在“Journal of Energy Storage”（IF=8.9）。

感谢桂林电子科技大学黄泽波博士（通讯作者）校稿！

本文所用

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研究背景

随着全球对可持续发展和绿色能源解决方案需求的不断增加，许多国家正在努力实现大规模的可再生能源存储。在各种液流电池储能技术中，全钒液流电池(VRFB)技术因其高功率和容量独立设计、高可靠性、良好的安全性和环境友好性而成为大规模储能应用的首选。其超长的使用寿命在风能和太阳能的调节和存储以及电网的调峰调频业务中尤其受到关注，表现出巨大的潜力。但是，VRFB也存在一些技术难题，特别是在成本和流场结构优化方面。成本主要由于电解液成本较高，系统维护成本较高。同时，流场结构的设计直接影响到电池的性能。流场设计不当会导致流道内电解液分布不均匀，造成电池内部压力损失和局部电流密度高，影响整体充放电效率和电池循环寿命。因此，通过微调流道的形状和大小，可以有效地降低局部浓差极化，提高电池的充放电能力和稳定性。

为解决上述问题，许多学者进行了深入研究，通过找寻最佳的流场结构来提高电池的传质性能，因此本研究通过深入研究仿生流场结构，并在流场主通道中添加阻块来提高VRFB的传质性能。本文提出了一个寻找电池性能最优解的经验公式，分析了多个关键性能参数(阻块直径、ΔP(压降)、平均浓度、充放电电压、过电位)对使用Nafion 115的电池性能的影响。本文进行了多速仿真验证和数据采集。结果表明，该经验公式具有足够的适用性和正确性。

核心内容

【灵感来源】

本研究提取了叶片中叶脉的分布结构，局部放大后可以明显观察到，在主要分枝路径中，存在不同形状和大小的叶肉，来引导养分运输路径，保证养分的最大利用，使每片叶片保持最大的能量转换效率，如图1a-c所示。根据这种性质，本文设计一种新的仿生流场，如图1e所示，并设置七组不同阻块直径(obstruction diameters，OD)的比较实验，为了用来找到最优设计比例，如图1d所示。最后，根据每个参数对电池效率的影响的大小，创新地拟合一个全新的经验方程，有效地整合了四个基本参数(ΔP、平均浓度、充放电电压和过电位)之间的相互作用，有效地结合了流场设计中阻块对电解质流动的引导作用。这为后续通过设置阻块来提高电池性能的研究提供了更方便的方法。

图1整体设计：(a)灵感来源;(b1-b7)为主流道上不同直径(0.4-1 mm)阻块设计;(c)流场结构

【仿真结果与讨论】

首先，从浓度的角度分析，随着阻块直径的增加，cV²⁺呈现先上升后下降的趋势，在OD = 0.9时达到最大值，但如果仍然增加到OD = 1，则cV²⁺急剧下降，如图2所示。此外，本文计算了当SOC为0.4和0.6时，三种流速下负多孔电极中V²⁺的平均浓度分布，如图3a所示。由分析可知，当OD从0.4增大到0.9时，电解液的平均浓度逐渐增大，在OD = 0.9时达到最大值。当OD = 1时，由于阻块直径较大，电解液不再通过主通道流动，而是直接从最外侧分支流向出口，导致中间区域活性物质数量急剧下降。其次，由于阻块直径的增大，其后方的流动死区面积也同步增大，导致活性物质减少，如图4所示。

从压力分布分析的角度来看，适度的压力差可以促进电解液的对流输送，如图3b所示，促进电解质的分布，增强肋下对流，增加活性物质的平均浓度，促进电化学反应进行，对电池的整体效率起到积极的影响。

然后从充放电压角度进行分析，本实验设置入口流量为2 mL s^-1和3 mL s^-1两组实验，得到的充放电电压曲线如图5a所示，展示出充放电效率的变化，当OD = 0.9时，由于此时电解液浓度分布最优，其电导率和电流密度的分布都有所增加，所以该点在两组实验中都表现出最大的效率。OD = 0.9为曲线的拐点，也为本实验案例的最优解值。当OD进一步增大时，充放电水平急剧下降，接近OD= 0.5时的性能水平。通过计算电池在这两组实验中的过电位差值发现，当 OD = 0.9 时，过电位差值最小，如图 5b 所示。分析表明，过电位差的减小有助于降低极化现象，进而减少电池内部的能量损耗，提高电池的功率密度。这一结果与前文分析的最大充放电效率结果一致，进一步确认 OD = 0.9 为最优值点。此结论为后续经验公式的推导提供了关键的临界影响参数

图2 负多孔电极中V²⁺的平均浓度分布

图3 三种流量下：(a) V²⁺浓度分布;(b)压降

图4 流速为3mL s^-1时的电解质通量为：(a) OD = 0.6;(b) OD = 0.9;(c) OD = 1

图5 两种流量下：(a)充放电电压;(b)过电位差

【经验公式的提出与验证】

本文首先分析了VRFB的各种能效损失，首先找到了与流场设计强相关的损失类别，分析了影响这些损失的因素。由于各参数之间存在非常复杂的耦合关系，因此通过效率分析，最终找到了影响电池性能关键的四个物理量(ΔP、平均浓度、充放电电压和过电位)，如图6所示。

图6 通过对VRFB损耗、影响因素和关键参数的逻辑推导，提出的OCC经验公式

通过对上述四个物理量的分析，确定它们的重要性权重系数，进而提出了本文关键的公式之一：阻块的最优解系数公式如STEP.3所示，该方程充分考虑了不同流量下四个临界物理量与阻块直径之间的关系。该公式侧重于放大过电位对电池性能的影响，如STEP.1所示。这是因为不同直径的阻块具有不同的导流能力，这种变化会在电极上形成局部离子浓度梯度，使局部反应速率不均匀，直接影响到过电位。利用该方程不断调整阻块直径，将其带入STEP.2后，计算不同流场的OCC值，找到最值对应的直径大小，即为最优流场阻块结构。

仿真结果数据显示，三种不同流量(1mL s^–¹、2mL s^–¹和3mL s^–¹)下的OOC变化趋势如图7a所示，可以看出OOC的趋势逐渐增大，直到OD= 0.9时达到最大值，如果OD继续增加，OOC会迅速下降。图7b为四种不同阻块直径下的极化曲线。当OD = 0.9时，电池系统效率和输出功率效率均达到最高，如图7c-d所示，这与OCC数值变化规律完全一致。当流量分别为1 mL s^–¹、2 mL s^-1和3 mL s^–¹时，OD= 0.9是系统效率最高点，分别为89.7%、88.6%和83.8%，功率效率最高，分别为86.9%、87.6%和88.4%。

图7 三种流量下：(a)最优解系数; (b)极化曲线; (c)系统效率;(d)基于输出功率效率

结论展望

本文提出了通过调整四个关键性能参数(ΔP、平均浓度、充放电电压和过电位)和两个外部因素(阻块直径和流速)来寻找性能最优解的经验公式，计算最优系数，并确定其最大值，以确定性能最佳的流场。本研究创新性的在仿生叶脉流场的主通道内放置阻块，设计了7种不同直径的阻块，并在3种不同流速下进行了对比实验。通过数据收集和分析，验证了经验公式的适用性。通过经验公式计算的OOC曲线表明，OD = 0.9时达到性能最优，系统效率和功率效率均为最佳，两种验证方法的结果一致，证明了所提出公式的有效性。该研究为优化流场结构提供了可靠的理论基础，并为未来更广泛的流场优化设计提供了新的见解和潜在的应用。

文献信息

Xie， X.， Liu， Y.， Huang， Z.， et al. “Numerical analysis of the design optimization obstruction to guide electrolyte flow in vanadium flow batteries.”Journal of Energy Storage 101 (2024): 113802.

https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113802

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