第一作者：刘书畅
通讯作者：许伟聪&陈瑞华
通讯单位：天津大学先进内燃动力全国重点实验室
成果简介
在各类低品位余热回收技术中，热电化学循环（TEC）展现出卓越的热电转换性能，并能通过液流反应器实现连续热电转换。尽管活性材料已取得重大进展，但针对TEC关键充放电过程中的质量传递与电化学反应行为机制研究仍显不足，尤其在非等温充放电过程方面存在局限，这制约了性能的进一步提升。本研究建立三维多物理耦合模型，模拟非等温充放电过程中活性物质的流动与质量传递特性，分析通道尺寸、温度、电解液流速及电流密度对多孔电极内活性物质分布的影响。结果表明，充放电过程中的温差导致液流反应器内活性物质分布发生显著变化，这为不同温度下反应器流道的设计与选择提供了指导。在优化流道设计与操作条件下，当充放电温度分别为40℃和10℃时，TEC展现出1.44 W/m2的最大功率密度及10.2%的最大相对卡诺效率。本研究有望为TEC电化学液流反应器的优化设计提供创新性见解。
相关成果以“3D Simulation and Performance Analysis of the Non-isothermal Charge/Discharge Processes in Thermo-electrochemical Cycle”为题发表在Journal of Power Sources期刊上。
感谢天津大学赵力团队（第一作者：刘书畅）供稿！
本文所用液流反应器和钒电解液
由武汉之升新能源有限公司提供
研究背景
基于电化学反应的新型热电化学循环（Thermo-electrochemical cycle, TEC）及装置被提出，并在低温热电转换研究领域展现出较好的应用潜力。传统的热电化学循环装置是间歇性的，在时间上分离了热和电的过程，因此功率输出是不连续的，并且不适合用于收集常见的温度长期稳定的低温热源热能。为了实现连续的电能输出，可将两组液流反应器与冷热源换热器组成连续型热电化学循环系统。尽管在开发先进活性材料方面投入了大量努力，但鲜有研究专注于TEC中关键组件——流动反应器的优化设计，而该组件对性能同样具有显著影响。不同于液流电池，热电化学循环中的液流反应器需要在不同的温度下运行，温度的差异导致了反应器内部的压降、流速和浓度等物理场分布的不一致，因此，需要深入探究反应过程中多物理场随温度的协同变化规律，明确液流反应器温度适配性设计原则。
本研究使用钒电解液为例进行模拟与实验，建立了热电化学循环液流反应器的三维仿真模型，通过改变流动通道的宽度和温度，分析了多孔电极内流体流速的大小和均匀性的变化规律。通过改变流道宽度、进口流量、温度和电流密度，并对计算结果进行可视化分析，作者得到了扩散作用、对流作用和反应剧烈程度对电极内活性物质的分布均匀性的影响。结合以上的结果与分析，得到了不同参数对反应器极化特性的影响规律。随后，通过分析反应器的充放电结果发现了反应面积的重要性，找到适合TEC系统的结构与运行状态。有望为TEC电化学反应器在流动通道层面的优化提供新的见解。
图1：图形摘要
核心内容
1.三维多物理场耦合模型构建
图2:液流反应器三维模型
a)反应器结构示意图；b)I型流道，流道宽度8.8mm；c)II型流道，流道宽度3.78mm；d)III型流道，流道宽度2.32mm；e)IV型流道，流道宽度1.67mm；f)V型流道，流道宽度1mm
本文基于SOLIDWORKS软件对液流反应器进行三维建模，并将模型导入COMSOL Multiphysics软件进行后续多物理场仿真。图2（a）所示为反应器结构示意图，包含正负极的流道、电极和离子交换膜，反应器长L和宽W都为80mm，流道厚度Hc为1mm，电极厚度H为3mm，膜厚度Hm为0.05mm。设计了五种不同尺寸的流道结构，其中进出口处的流道较宽，不仅可以为流体的进出提供缓冲空间，保证管路的安全连接，而且可以方便中间流道的设计，如图2（b）~（f）所示，其中，图2（f）所示流道尺寸与本实验室已有的装置尺寸一致，这主要是为了方便验证模型的有效性。
2.流动特性
如图3（a）所示为不同尺寸流道的液流反应器中正负极侧压降随温度的变化计算结果。随着流道的延长，流体流动截面积逐渐减小，流道内流体的流速加快，反应器进出口压降增加；并且随着温度的升高，正负极两侧进出口压降都减小，但负极侧的压降略高于正极侧，且温度越高，正负极压降差越大。
图3（c）所示为电极内流体的相对速度分布，即某一位置的速度与电极内平均速度之比，用于表征流体在电极中流动的均匀性。结果显示，采用III型、IV型和V型流道时，除了流道进出口处由于流道宽度较大导致流速较小外，电极内流体流速分布相对均匀，有利于降低电化学反应极化损失。
图3: 流动压降及物性变化结果
a)流动压降计算结果；b)正负极电解液动力粘度和密度随温度变化情况；c)电极内相对速度分布图
3.传质特性
在特定温度下，VO2+离子的扩散系数保持不变，此时离子浓度分布的均匀性随液体流速的增加呈现先增大后减小的趋势，如图4（a）所示，这表明流速过高和过低都不利于离子的均匀分布，此变化趋势并未随温度变化而改变。在特定流道结构下，液体的流动状态和离子的扩散行为同时受到温度影响，这是因为液体动力粘度和离子扩散系数都随温度改变而变化。随温度升高，液流动力粘度降低，流动速度变快；而离子扩散系数随温度升高逐渐变大，如图4（b）所示，表明高温条件下离子扩散速度较快，有利于离子分布的均匀性。流动状态和扩散行为的双重作用，导致在使用不同流道类型时，VO2+离子分布的均匀性随温度的变化趋势并不一致。
图4：VO2+离子分布特性
a)浓度分布均匀性随温度变化情况；b)离子扩散系数随温度变化情况
4.热电化学循环系统循环特性
图5 （a）为工作流量为1mL/min时TEC系统相比于全钒液流电池（Vanadium redox flow battery，VRFB）的归一化净输出电压（等于TEC系统的净输出电压与VRFB在10℃下工作的净输出电压之差）和归一化热效率随电流密度的变化情况。如图可知，随着电流密度的增加，系统的归一化净放电电压逐渐降低；归一化热效率呈现先增加后降低的趋势，并在电流密度为89 A/m2时归一化热效率达到最大值3.0%。这说明TEC系统的构建带来的极化性能明显优于恒温下单个液流电池的性能。
同时计算了系统的最佳热效率、相对效率和最大功率密度随流量的变化情况，设热回收效率为90%，如5（c）所示。随着流量的升高，热效率先在0.8mL/min升高到最大值0.98%再下降，对应最大的相对卡诺效率为10.2%；而最大功率密度会随流量的升高而增加，在流量到达7mL/min时最大，为1.44W/m2。
图5：循环性能随电流密度和流量的变化情况
a)归一化净输出电压和归一化热效率随电流密度的变化情况；b)净输出电压和功率密度随电流密度的变化情况；c)最佳热效率与最大功率密度的权衡取舍情况；d)绝对效率随回热效率与流量的变化情况
综上所述，天津大学赵力&邓帅教授课题组针对TEC系统中不同温度条件下液流反应器的设计，本研究建立了包含温度依变函数的三维多物理场耦合模型，用于分析不同流道、温度、流量、电流密度下液流反应器中的流动传质特性和极化特性，对比选择最佳流道并分析了TEC的热效率。有望为TEC电化学液流反应器的结构优化提供新的见解。主要结论包括：
（1）流动通道宽度的减小和温度的降低会引起相邻流道压差的增加，提高电极内流体流速的大小和均匀性。
（2）流动通道宽度的减小、进口流量的增加和温度的增加可以提高电极内活性物质的均匀系数，而电流密度的升高会降低均匀系数，并且此时温度的影响会逐渐增强。
（3）使用III型和IV型流道时反应器的总过电位较低，充电电压较低，但在低电流密度下使用V型流道的反应器具有最高的净输出功率，适用于TEC系统。
（4）TEC系统相比于单个液流反应器有明显优势，最大归一化热效率为3.0%，当系统在40℃充电，10℃放电时，相对卡诺效率最高可达10.2%，最大输出功率最高可达1.44 W m-2。
文献信息
Shuchang Liu, Fan Fan, Anming Wang, Weicong Xu, Li Zhao, Ruihua Chen，3D simulation and performance analysis of the non-isothermal charge/ discharge processes in thermo-electrochemical cycle,2026,Journal of Power Sources
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.238695
延伸阅读（赵力团队近期论文合集）：
【论文赏析】祝贺我司客户天津大学赵力&邓帅教授课题组发表JMCA: 将热再生电化学循环和液流电池相结合的新型高效集成系统