第一作者：杜炳垚
通讯作者：何章兴
通讯单位：华北理工大学
DOI：10.1016/j.rser.2026.117015
感谢华北理工大学何章兴团队（第一作者：杜炳垚）校稿！
成果简介
本文系统综述了VRFB流场优化领域的研究进展。基于功能导向原则，流场配置体系可分为均匀分布主导型、传质主导型和多功能型三种类型。文章深入分析了流场与电极的耦合设计机制，并建立了电极压缩比、孔隙率与流道几何参数之间的定量关系。同时全面评述了流场领域的先进研究方法，包括可视化实验技术、多物理场耦合模拟及机器学习辅助拓扑优化技术。文中还介绍了工程实践考量要点与前沿设计理念。基于当前技术瓶颈，本文展望了未来发展方向，从静态配置向智能响应转型，从单点优化迈向全工况优化。本文总结的成果为开发长寿命、低成本的VRFB流场创新设计提供了系统的理论依据与方法支持。
背景分析
尽管VRFB具有诸多优势，但EE和功率密度仍需进一步提升，以满足更广泛的经济需求。流场是引导电解液均匀分布于电极表面的关键结构，对电池性能具有重要影响，主要功能包括引导电解液分布、确保电解液在整个电极反应区域内的均匀且充分流动，从而避免形成死区或短路流动现象。因此，流场的设计旨在促进活性物质的传输，优化电解液在电极孔隙内的对流与扩散过程，并确保反应物有效传递至电极反应界面，同时快速清除反应产物。优化流场结构是提升VRFB整体性能的关键方法。优化的核心目标是在传质、反应分布和系统压降之间取得平衡，从而在保持较低泵送损耗的同时实现更高的能量效率和功率密度。
图文解析
1.流场在VRFB中的关键作用
根据VRFB的工作原理，当电解液通过蠕动泵输送到电池内部时，必须依次流经流场板内的预设流道才能到达电极区域。由此可见，流场板内部流道结构的设计是否科学合理，将直接决定电解液在电极表面的均匀分布情况。
图1典型流场图
在流体力学领域，经典的矩形流场结构主要包括平行流场（PFF）、蛇形流场（SFF）和叉指流场（IFF），示意图见图1a–c。研究人员基于叶片形状开发了叶脉仿生流场（BFF）（图1d）。Su等人研究了放大旋转SFF的不同方法，包括多平行通道、通道长度扩展、通道多平行长度扩展、分割子区域和分割区域多平行通道（图1e–i）。其他基于形状优化的流场设计包括龟形、树形、渔网形、波浪形、肺形流场和螺旋形流场。
图2流场在VRFB中的作用
电解液在电极内的分布与传输特性主要取决于流场拓扑结构及流体动力学设计。流场结构设计是制约电池综合性能的关键因素，体现在EE、功率输出、系统运行成本等核心指标上。为直观阐释这一机制，图2展示了VRFB流场结构的功能示意图。在流体速度增大的条件下，研究建立了局部传质系数与流速变量之间的数学关系。该设计有效降低了能量损耗，从而为驱动泵组提供更充足的功率保障，并显著提升了系统的运行效率与经济性。
1.1电解液分布均匀性的改善
不良的流场设计可能导致电解液无法按预期流动，从而造成大量电解液直接从入口流向出口，或仅快速流经少数宽通道而未能完全渗透至电极内部，称为短路流。在某些电极区域（尤其是通道下方或边缘处），电解液流速会变得极低甚至停滞，被称为“死区”。当反应不均匀时，死区内的活性物质无法参与反应，导致电容损失和有效电极面积减小。相反，在高速区域，由于反应物的快速补充和热量积聚，可能引发局部过热或副反应加速，从而加速材料劣化。最终，将导致电池整体性能下降和使用寿命缩短。
通过引入挡板、设计变截面通道、使用交叉或仿生分形结构等优秀的流场设计，电解液可以通过调整通道的布局、形状和流动阻力来克服流动惯性，迫使电解液在整个电极平面上更均匀地分布，消除死区，最大限度地抑制短路流，从而实现电极面积的有效利用。
1.2提高活性物质传输效率
传输速率是决定电极反应速率的关键因素之一。传输主要通过两种方式实现：流动与扩散。由泵送电解液流动驱动的对流是电极附近反应物传输的宏观机制；而由浓度梯度驱动的扩散则将反应物从高浓度电解液区域输送到低浓度的电极反应表面，是反应物迁移的微观关键机制。在传统PFF中，传质主要依赖扩散过程相对缓慢，可能导致高电流密度下电极表面反应物耗尽，从而引发浓差极化现象，进而限制电流密度上限。新型复杂流场原理（如新型螺旋流场或三维多孔流场（TPFF））属于强制对流范畴。通过交替布置进出口，或采用多孔介质结构，使电解液垂直流经电极而非仅平行于电极表面，增强了反应物向电极内的对流传输效率，大幅缩短了扩散距离并降低了浓差极化现象，同时大幅提升了电池的质量传递效率与输出功率。
1.3.VRFB压降与泵功率损耗之间的平衡
泵功率损耗是指泵为克服电解液流经管道和电极（尤其是流场和电极区域）时的流动阻力所消耗的能量（以压降ΔP表示）。流场设计存在一个基本权衡关系：增强传质过程通常会提高VRFB的ΔP；而采用更狭窄、更密集且更复杂的流道（如IFF或压缩电极）虽能提升传质效率，但会增加流动阻力，并提高进出口处的ΔP值。高ΔP意味着驱动泵需要消耗更多能量，直接抵消了电池的输出能量，降低了系统的净效率。因此，流场设计需在增强传质效率与控制ΔP之间取得最佳平衡。优化后的流场应能在最小ΔP条件下实现最高效、最均匀的传质效果。因此，要求对通道几何参数（包括宽度、深度、长度、布局、电极孔隙率及压缩比）进行合理设计与匹配，从而在特定运行条件下最大化系统的净效率。死区的形成与短路流现象本质上源于流场内压力分布不均。根据流体力学原理，在平行流场的入口集管处，流体动量最大、动压最高、静压最低；而在出口集管附近，流速降低而静压升高。这种沿集管的静压分布差异导致各平行流道进出口处产生不同的ΔP。靠近入口的流道具有更大的ΔP和更高的流速，易形成短路流；而远离入口的流道则具有较小的ΔP和较低的流速，甚至可能形成死区。从电化学角度来看，死区内的活性物质无法参与反应，导致电容损失和有效电极面积减小；而在短路流区域，由于反应物的快速补充和热量积聚，可能引发局部过热或加速副反应。近期研究提出了“真空区域补偿设计”方案，该方案通过迭代优化相邻流道间的压差，可显著提升活性物质的平均浓度及分布均匀性系数，为消除死区和抑制短路流提供了有效的工程解决方案。
在VRFB的设计中，电解液的均匀分布、活性物质的传输效率以及包括ΔP和泵功耗在内的能量损耗动态平衡，是三个相互关联且彼此制约的关键核心性能指标。任何流体研究项目都必须全面系统地考量上述三个维度的作用，其重要性不容忽视。
2.多物理场耦合
鉴于现有建模方法的局限性，采用集成等效电路、电化学及流体动力学模块的多物理场混合模型更为合适。VRFB的内部结构是一个典型的多物理场耦合系统，流场特性源于电化学场、流场与浓度场之间的相互作用与约束关系。与单纯分析孤立场不同，电解液在通道和电极孔隙中的流动由流体动力学场描述，该场受纳维-斯托克斯方程和达西定律支配。此区域负责调控电解液的宏观分布及微观渗透过程，成为物质传递过程的主要驱动力。此外，浓度场直接决定了电化学反应的驱动力及极化程度；流场通过影响对流与扩散作用来形成浓度场；电化学场描述了电极-电解液界面处的电荷转移反应，该反应遵循Butler-Volmer方程。
流动与传质耦合：流场直接影响对流传输强度，进而影响反应物到达电极表面的速率，最终决定浓度场的分布。
传质与电化学耦合：电极表面反应物的浓度直接影响电化学反应的动力学和热力学特性，即决定了局部电流密度。
电化学-流动耦合相对较弱，但电极表面产生的气体可能改变局部流动状态。更重要的是，电化学场的输出是评估流场设计质量的最终标准。间接全局耦合涉及通过设定相应的泵流量来满足特定电流密度下的传质需求，直接决定了流场内的ΔP及泵功耗。系统的净效率等于电化学性能与流场泵功耗之差，完美反映了多个物理场的全局耦合效应。
建立多物理场耦合模型旨在研究电池的结构设计，从而提供科学可靠的理论指导。同时，也为探索电池内部的微观传输机制和制定电池系统的稳定循环策略提供了理论依据。因此，流场设计应采用多物理场耦合模拟方法，在求解流体动力学、质量传输和电化学反应方程的同时实现模拟。
3.流场设计
3.1.以均匀分布为主的流场
均匀分布主导流场的核心设计原则是通过优化压力分布来实现电解液的空间均匀分布。其工作原理基于流体力学中的伯努利原理及摩擦补偿机制：在平行流场中，入口歧管内的导流板或节流元件可调节压力分布；而在梯度变截面流场（GVCFF）中，沿流路逐渐收窄的流道可补偿摩擦损失，从而保持流路内静压恒定。此类流场适用于低电流密度及压降敏感的应用场景，例如追求高系统效率的大规模储能系统。关键设计参数包括歧管与流道的面积比以及梯度系数等。
3.1.1平行流场
PFF结构是最传统且最直接的设计方案。图3a展示了一种具有大量平行直通道的PFF，起始端和末端分别设有进口歧管和出口歧管，主要问题在于进口歧管与出口歧管内的压力分布不均匀。根据流体力学原理，在进口歧管处流体动量最大时，动压最高而静压最低；而在歧管出口附近，随着流速降低，静压反而升高。沿歧管分布的静压差异会导致各平行通道的进、出口处产生不同的ΔP1：靠近进气口的通道ΔP1值更大、流速更高，而远离进气口的通道ΔP1较小、流速较低，将导致流动分布严重失衡。最有效的解决方案是在进口歧管和出口歧管中安装导流板或流动阻力器，通过改变歧管的流通截面积来调节压力分布。例如，将导流板置于靠近入口的高动压区域会增加该处的流动阻力，从而导致静压升高；相反，在集管末端的低动压区域降低阻力则会使静压相对下降。通过精确设计导流板的形状、尺寸和布局，可使主管道内的静压保持均匀，确保了各平行通道入口与出口处的压力差一致，从而实现流体的均匀分布。该方法不仅保留了PFF结构的低流动阻力和低泵功优势，还提升了电解液分布的均匀性，确实是一种经济高效且优化效果显著的方案。
3.1.2.梯度变截面流道
图3b展示了PFFs中的阶梯状障碍物及通道设计中的棱柱形障碍物，每个通道分别包含1、2和3个障碍物。图3c展示了四种梯度SFFs中从入口到出口边缘通道深度呈线性递减的流场结构。该设计并未遵循传统均匀横截面通道的惯例，而是沿流动方向在宽度或深度上进行系统性变化，从而形成梯度可变横截面通道。这些通道中的流体流动会产生摩擦损失，因此下游静压低于上游。在横截面均匀的通道中，下游驱动压力会降低，进而导致流速和流量下降。通过将通道横截面沿水流方向逐渐变窄的设计，下游流速得以提升，但通道的摩擦阻力也会相应增加。经过精确计算与设计，通道阻力的增加能够准确补偿摩擦压头损失，从而使整个通道长度内的流速和流量保持相对均匀。可变横截面设计改变了通道内的局部流速场和压力场，增强了横向流动效果，使得电解液更容易从通道渗透至下电极的孔隙中，从而提高了电极厚度方向上的浓度均匀性。图3d展示了两种梯度SFF条件下V(II)的速度分布与浓度分布，表明沿流道设计的梯度显著提升了出口附近电解液的流速。因此，在不同电流密度下，梯度流场的引入可使电极内反应物分布更加均匀。基于能斯特-普朗克方程的理论框架，目标物质V(II)的传输通量特征主要受对流项主导。当出口区域流体速度逐渐增加时，速度提升效应有效补偿了该区域V(II)浓度相对较低的状况，从而确保整体物质传输的连续性和高效性。在GSFF（5%）电极的出口区域，其内部流体速度分布呈现明显的停滞现象，是由于显著的流动阻力导致分布不均所致。该设计主要取决于运行条件和几何参数，因此需要复杂的计算流体力学分析及多物理场优化方法才能确定最优梯度曲线。图3e和f展示了不同通道分数、ΔP及均匀性系数下的通道结构，以及钒离子浓度等高线图。结果表明，在不同通道分数下，活性物质的ΔP值与分布均匀性之间存在权衡关系，意味着每个流场中都存在最优通道分数。因此，需在可接受的ΔP损失范围内选择合适的通道分数，以确保VRFB系统的卓越性能。
3.2.质量传递主导的流场
以传质为主导的流场核心设计原理，旨在通过强制对流突破扩散限制。工作机制是利用流道间的压差驱动电解液垂直穿透多孔电极，将扩散距离从微米级缩短至纳米级。指状流场通过交替布置进水与出水流道实现强制对流；TPFF则利用连续的孔隙结构产生强涡旋并实现充分混合。此类流场特别适用于高电流密度和高功率密度的应用场景，例如需要快速响应的频率调制辅助服务。关键设计参数包括流道宽度比和电极渗透性匹配度，需在增强传质效率与降低压降之间取得平衡。
图3具有梯度变截面流道的流场
3.2.1叉指流场
IFF由两组相互独立的进水通道和出水通道交替排列构成，所有通道端部均采用密封设计。图3g展示了通过软件构建的IFF结构：独特的密封设计迫使所有电解液首先流经进口通道，随后垂直穿透下方的多孔电极，最终通过相邻的出口通道排出。图3h展示了通道内的压力分布，在电极内部产生了强烈的强制对流，其方向垂直于电极表面。该对流传输方式缩短了反应物从流道扩散至电极内部反应位点的距离。图3i呈现了IFF中进水通道固定销的位置及通道中点处的流场分布，有效更新了电极-电解液界面处的反应物浓度，抑制了浓差极化现象，并使极限电流密度提升了数个数量级。IFF的主要缺点是具有极高的ΔP，流体穿透电极多孔介质的阻力远大于在开放流道中的流动阻力。平衡策略的核心目标是在不显著牺牲传质性能的前提下降低ΔP。总体而言，通过优化流道结构并增加流道宽度，可以缩短横向穿透电极的路径长度并降低其阻力，但电极的有效反应面积也会相应减小。因此，必须确定最佳比例以优化电极性能。
3.2.2三维多孔流场
该结构采用离散式流道架构，利用具有连续孔隙结构的单体材料（如泡沫碳或网状玻璃碳）同时作为流场和电极支撑体。在某些情况下，电极甚至直接集成于该结构中，从而形成三维、连续、各向同性或各向异性的多孔流场。
传质与反应过程及其协同优化主要得益于其巨大的比表面积。三维多孔结构提供了广阔的固液接触面积，为电化学反应创造了大量活性位点；同时，强烈的湍流与混合效应进一步增强了此优势。流体在复杂的三维通道中流动时会产生强烈的涡旋和扰动，提升了对流传输与质量混合效率，同时有效削弱了扩散边界层的影响。其次，电流密度分布均匀：连续结构避免了传统结构中存在的流道脊遮挡效应，从而实现了更均匀的电流分布。最后，该结构还提供了优异的机械支撑，为碳毡等电极材料提供均匀支撑，确保接触电阻处于较低水平。
3.3多功能流场
多功能流场的核心设计原则是借鉴自然优化原理或利用反应动力学差异，以实现系统层面的最优性。诸如叶脉和肺部等生物流道结构，通过分形几何特性在最低能耗下实现均匀分布。图4a展示了一种基于肺部生理特性的流体动力学布局方案，其设计概念源自人类上呼吸道的分形几何结构及其独特的功能特性。由肺灵感激发构建的流场系统机制具有三维分形分支型入口通道，可以确保活性物质在整个电极表面上的均匀扩散和分布。图4b展示了分形几何结构的概念示意图。该分形流场构建于具有自相似性和迭代分支特性的“H”形微通道网络之上。核心设计理念在于通过这种独特的多级结构，确保反应物在基底整个表面实现均匀传输与分布。该流道的几何构型使得单个液体入口可延伸出四条分支流道，且各分支流道长度保持一致。图4c展示了所研究的分形阴极流场的层级结构，该结构已扩展至第五代。图4d展示了用于开发第五代分形阴极流场板的二维平面PCB板（含各代板及互连板）的示意图与序列：板1为镀金层；板2–10为标准PCB板。其中板（1、2、4、6、8和10）承载分形结构的五代设计，而板（3、5、7和9）则作为各代之间的互连板。该分形流场展现出优异的均匀性和低ΔP特性，但复杂的设计结构给制造带来了挑战。
图4e展示了绿色植物为何能在长期生长中表现优异，主要归功于高效的养分运输网络。在植物体内，通常兼具导输和结构功能的叶片脉络以规律的方式分布于不同叶片表面。营养物质从叶片基部进入主脉，随后通过众多细小分支分布至叶缘这一自然现象，充分体现了分支在营养物质运输中的关键作用。该流场设计灵感源自植物叶片主、次、三级叶脉形成的层级网络结构，能够以最低能耗高效将水分和营养物质输送到整个叶片表面。系统构建了包含一级、二级和三级的通道网络：一级通道负责大规模收集与分配，而二级和三级通道则确保电解液均匀分布至叶片各角落。由此形成的仿生叶脉流场显著提升了多孔电极内活性物质的传输效率。此外，通过引入直径为0的圆形障碍物并对各分支入口直径（5mm）进行优化，利用流体导向效应扩大了电解液流通面积，从而实现更均匀的电解液分布。图4f和g分别展示了OLFF、LFF和SFF的CE、容量衰减率及平均EE。此外，图4h展示了三种基于泵功的BFF和SFF的效率，本质上避免了PFFs存在的流体分布不均问题，同时优化了通道总长度和ΔP，在低阻力条件下实现了均匀流场分布。
图4肺部启发的分形流场与叶脉仿生流场
3.4流场电极耦合
3.4.1.电极压缩比与流道参数之间的关系
在组装过程中，电极会受到压缩，不仅降低了接触电阻，还提高了机械稳定性。然而，压缩会导致电极孔隙结构发生变化：孔隙率降低、平均孔径减小、孔隙曲率增大，同时流经电极的电解液流动阻力增加。与此同时，比表面积的增加对反应过程具有积极作用。需要综合考虑通道宽度与电极压缩比的关系，通道越宽，下电极承受的压力越大，导致孔隙率降低且传质阻力增大；相反，通道下方的电极压缩程度较小，孔隙率较高。如图5a所示，波纹状碳双极板的作用是在电极区域内形成高纤维体积分数和低纤维体积分数的区域。在高纤维体积分数区域，较低的电阻可提供电子传导路径，从而降低整个电极的电阻。图5b展示了波纹壁流体网络的设计理念，清晰呈现了阴极液和阳极液的流动方向；这种弯曲的波纹壁结构优于传统壁结构。图5c和d分别展示了垂直流动与平行流动的示意图，不同流动方向会产生不同的影响。相反，纤维体积分数较低的区域能够形成电解液通道，并显著降低泵送损耗。优化的目标是确定压缩比与脊状结构与通道宽度之比的最佳组合，从而实现整体平衡。脊状结构下方可能拥有更多反应位点，但传质阻力较高；而通道下方传质阻力较低，但反应位点较少。总体而言，这种优化方案能实现电流分布、传质效率与ΔP值之间的整体平衡。
电极压缩比与流道参数之间的匹配关系直接影响电池的整体性能。压缩会导致电极孔隙率降低，而曲折度增加。以典型的碳毡电极为例，当压缩比从0%增加至30%时，肋状区域的孔隙率从0.85降至0.70，渗透率下降约65%，但接触电阻降低约40%；而流道下方区域的压缩比较低，孔隙率仍保持在0.80以上，传质阻力较小但接触电阻较高。通过多物理场仿真，可确定最佳压缩比及肋宽与流道宽度之比，从而实现电流密度分布、传质效率和压降的协同优化。研究表明当肋宽与流道宽度之比为1:1、压缩比为20%时，电池在200mA cm-2下的VE较未优化设计提高约5%，且压降增幅控制在15%以内。
3.4.2.电极流场
流场结构可通过直接在碳毡上加工形成通道结构，或通过一步成型工艺将流场结构与碳毡一体化成型。电极本身亦可充当流场功能。常用方法包括激光蚀刻、精密模塑或3D打印等技术，这些方法可在碳毡原本平坦的表面形成凸起与凹陷相结合的流道图案。Hao等人开发了一种激光穿孔法，可直接在碳毡电极上制造流道：通过在靠近出口通道的肋条下方区域进行激光穿孔，可构建连续的孔隙网络。研究表明当穿孔直径为300 μm、孔隙密度为4个孔/cm2时，电解液渗透率提升约3倍，而比表面积损失控制在15%以内。结合指状流场设计，该方案将最大功率密度从0.75 W/cm2提升至1.82W/cm2，增幅达143%（图5e）。穿孔位置的关键在于：传统设计中靠近出口流道的肋条下方区域通常是传质瓶颈，在此处进行穿孔可最大程度提升整体传质均匀性。图5f展示了均匀压缩电极与带有流道的VRFB非均匀压缩电极；图5g则呈现了简化的侵入域示意图。在理想情况下，可以将优化的压缩力施加到集成电极上，简化或优化双极板的设计是可行的，从而降低了系统成本和重量。然而，制造工艺可能会损伤碳纤维，从而影响电极的机械完整性及长期稳定性。对于高功率VRFB而言，研究人员已在碳毡电极上开发出既能降低ΔP又能抑制浓差极化的流场设计。与传统毡状结构相比，交错式与平行式两种结构均能显著降低ΔP、均匀分布反应物浓度，并提升多孔电极内的流速。模拟与实验结果均表明在高电流密度条件下，交错式与平行式结构可大幅减少浓度极化现象。除交错式与平行式设计外，研究者提出的综合模拟实验评估方法还为先进碳毡流场设计提供了指导，实现了适用于网格规模应用的高性能VRFB运行。因此，该方法同样适用于其他类型的液流电池，例如涉及沉积/溶解氧化还原反应的液流电池。
图5通道改进与优化
3.5.流场放大中的流体动力学挑战
在将小型实验室电池系统放大至大规模工业电堆的过程中，简单的几何缩放往往会导致流场分布畸变和传质不均匀。根本原因在于难以同时满足流体动力学相似性要求：雷诺数（Re=ρvD/μ）随碳材料特征尺寸增大而上升，可能导致流动从层流转变为湍流；欧拉数（Eu=ΔP/ρv2）则随流道长度变化而改变，影响压力分布特性。关于蛇形流场缩放的研究表明多种缩放策略，如多通道并行设计、流道长度延长及区域分割对流场性能具有显著影响。Su等人比较了五种缩放方案：多通道并行方案可降低压降，但易导致流场分布不均；流道长度延长方案能保持单通道特性，但会使压降显著增加；区域分割方案将大面积电极划分为多个子区域并进行并行处理，在控制压降的同时保持流场均匀性。“宏观分段网络模型”的引入能够有效分析缩放效应。该模型将流场离散为多个网络节点，通过求解流动连续性方程和压力平衡方程，来预测不同缩放方案下的流场分布及压降特性。
该扩建设计的核心理念包括：保持水力直径相似性，并将流道的宽深比控制在1:1至2:1范围内；采用分层流道结构，主通道负责宏观流场分布，次级通道负责局部流场均匀性；考虑集管的影响，通过渐进式收缩或扩张设计来补偿沿程压力损失；结合计算流体动力学模拟对不同缩放方案进行虚拟验证。遵循这些原则，可实现从实验室原型到工业级电堆的平滑过渡，同时保持传质性能与压降的可预测性。
4.与流场相关的创新技术
4.1视觉流场观察技术
粒子图像测速技术（PIV）是一种非接触式、全场光学速度测量方法。流场均匀性的体现在于：它能够直观且定量地展示并量化不同流场结构（如平行流、叉指流、仿生进水口及各层级流道）中的流场分布，精准识别短路流与死区，为导流器优化提供直接依据。在IFF中，PIV可清晰捕捉电解液从进水通道经电极至出水通道的流动轨迹，直观验证强制对流机制的存在，并测量穿透速度与穿透范围。对于瞬态流动，高速PIV可用于研究启动、停机或突发流速变化过程中的瞬态流动行为，从而评估流场设计的动态响应特性。
图6a展示了一种视觉观测装置。为分析电解液的流场分布模式，在特定时刻，通过三通阀将电池内循环的水替换为添加了示踪剂的水。随后以相机8Hz的最大采集帧率记录至少300张发射荧光图像序列。该序列展示了与RFB电池膜接触的电极表面在流体流动前的演变过程。图6b展示了两个具有不同结构的单电池，用于测量局部电流密度。两块电池的电流密度分布测量技术相似，每块电池的有效面积均被划分为25个区域。图6c和d展示了带有弯曲流道的插接式集流体的示意图及实验系统示意图。该装置由丙烯酸流体框架、多片刀片状石墨片、铜片以及绝缘密封垫（支撑垫）组成。带流道的插接式集流体专为测量具有蛇形流道的全钒液流电池中的电流密度分布而设计。该集流体完整保留了流道的结构与有效面积，以确保流道功能正常并实现电子收集。通过局部电流密度的数值，可反映电池内电解液的流动状态。为获得精确的测量结果，必须使用透明电解池（如玻璃材质），并尽可能使电解液、示踪颗粒、流场及电极材料的折射率相匹配，以消除光学畸变。同时，电极的多孔结构是导致光路遮挡与散射的主要技术难题。
图6对流流场的可视化观测
4.2.多物理场耦合建模
在制造实体原型之前，应使用软件快速评估多种流场配置的性能预测结果，从而调整流道的形状、尺寸、布局等参数，缩短研发周期并降低研发成本。图7a展示了各流场的网格可视化效果；图7b则呈现了VRB建模的几何结构。该模型为单块电池构建了完整的仿真组件域，包含集流体、具有交错流道的多孔电极、隔膜以及电解液，并在角落处设置了详细的网格和xz截面。通过仿真，可以获取实验难以直接测量的内部细节，例如电极孔内的局部流速、任意点的浓度梯度、过电位分布等，从而深入分析极化损耗的根源是欧姆极化、活化极化还是浓差极化。基于现有条件，开发者系统研究了槽宽深度比、肋宽、电极孔隙率和压缩比等关键设计参数，并确定了最优参数范围。然而，模型的准确性在很大程度上取决于输入参数的精确度，例如电极渗透率、孔隙率、动力学常数和扩散系数等。图7c展示了数值模型生成的网格，该网格采用四面体结构。为验证模拟结果的一致性，研究采用不同网格数量进行了六组网格独立性分析。网格独立性分析通过调整网格数量来实现。计算成本较高，尤其在进行全尺寸三维瞬态模拟时更为显著。图7d和e对比了不同流场条件下VRFBs的压降与放电电压的实验数据与模拟结果。模型计算得出的不同VRFB通道构型下的水力ΔP差异，与实验结果中的趋势一致。因此，该模型可用于比较VRFB中不同通道设计引起的ΔP变化。
图7采用COMSOL软件进行的流场仿真分析
4.3.基于机器学习的流场拓扑优化
传统的数值优化方法成本极高，且难以设计出超越现有配置概念的创新方案。机器学习能够从海量数据中学习复杂的非线性映射关系。拓扑优化技术可在给定设计空间和约束条件的情况下，自动找到材料的最佳分布模式。将两种技术结合后，可利用高保真多物理场模型生成训练数据，进而训练神经网络作为代理模型，该模型能近乎实时地根据输入设计参数预测输出性能指标（如ΔP、平均电流密度、均匀性指数等）。随后，通过遗传算法、贝叶斯优化等优化算法对快速代理模型进行迭代优化，从而有效探索庞大的设计空间并生成新的BFF拓扑结构。
图8c展示了叶片组织中物质转移与反应的机制，是机器学习过程中的关键环节之一。机器学习应用的总体工作流程如图8d所示，是一个跨学科领域，涉及概率论、统计学、逼近理论、凸分析、算法等众多学科；通过算法在海量数据与特定属性之间建立潜在关联。电池领域的机器学习仍处于早期阶段，图8e表明需要大量研究才能建立有效的电池机器学习模型。图8f阐述了用于评估VRFB能量效率的变量、科学流程及若干步骤，也属于机器学习的研究方法之一。
图8基于机器学习的流场拓扑优化
核心结论
VRFB流场优化是一个综合性极强的研究领域，涉及电化学、流体力学、材料科学及数据科学等多个学科。尽管当前研究已取得显著进展，但仍存在若干关键瓶颈，例如性能权衡、多物理场耦合复杂性、制造成本以及长期稳定性等问题。低流动阻力与高反应物利用率之间的内在矛盾仍是核心挑战。此外，许多性能优异的创新流动场方案由于设计复杂且制造工艺要求严苛，难以实现大规模应用。
未来的研究应聚焦于从配置创新向结构创新的转型，大力开发三维一体化电极-流场结构。当前的流场设计均采用静态配置，并在特定条件下进行优化；然而电池实际运行工况具有动态性且会持续变化，因此静态设计难以在所有运行工况下保持最优状态。智能自适应流场技术可通过实时感知与主动调节，在不同的充放电状态、电流密度及SOC下实现动态优化。该技术的实现依赖于多项关键技术的突破，包括嵌入式微传感器、可变几何流道、智能控制算法及数字孪生系统。通过深度整合人工智能与流场设计，并运用机器学习算法直接从性能目标反向生成最优流场拓扑结构，从而实现革命性创新。同时，应强化功能分区与非对称设计理念，并充分利用跨学科技术融合的机遇。通过中子成像等无损检测技术，可以深入了解内部机理，促进流场设计从经验改进到合理设计，从静态结构到智能响应。