第一作者：包道日娜、李友
通讯作者：包道日娜
通讯单位：内蒙古工业大学、深圳技术大学
DOI：10.1016/j.ijoes.2026.101492
感谢内蒙古工业大学包道日娜团队（第一作者：李友）供稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-1）
由武汉之升新能源有限公司提供
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
1.传统流场的传质瓶颈与波动型流场设计理念
图1 传统蛇形流场（SFF）及不同通道数波动型流场（UFF-7、UFF-9和UFF-11）的三维结构
传统蛇形流场中，大部分电解液沿主通道流向出口，仅有一部分在相邻通道压差作用下穿过肋下多孔电极，容易在电极中后部及出口附近形成反应物贫化区。交指型流场通过封闭通道末端强化穿透流动，但强制流经多孔介质会增加压降和循环泵能耗。由此可见，单纯提高流量虽能缓解浓差极化，却可能以更高辅助能耗为代价，难以兼顾电化学性能与系统净效率。
本研究提出的UFF采用中心进液、两侧出液以及周期性横向通道，并在通道与电极接触界面设置上窄下宽的五边形截面。迎流倾斜面将部分沿通道方向的动量转化为垂直电极表面的速度分量，使电解液在通道与石墨毡之间周期性起伏渗透，从而强化电极厚度方向对流传质。通过改变横向通道数量和肋宽，进一步构建UFF-7、UFF-9和UFF-11三种方案，用于分析结构参数对传质与水力性能的影响。
2.波动型流场构建、数值模型及实验验证
图2 SFF与UFF中的电解液流动路径示意图
图3 模型验证、网格无关性检验及实验装置：（a，c）压降和放电电压的网格无关性；（b）模拟与实验充放电曲线对比；（d）实验平台及SFF/UFF流场板
图4 不同流场下负极多孔电极内的电解液速度分布及特征线速度
研究建立了包含自由流、Brinkman多孔介质流动、Nernst–Planck物质传递及Butler–Volmer反应动力学的三维耦合模型，并以25 cm²实验单电池进行验证。模型在50 mL·min⁻¹、50 mA·cm⁻²条件下对SFF充放电曲线的预测与实验趋势一致，充电和放电平均误差分别约为1.6%和1.9%。在统一电池尺寸、入口和出口位置及通道截面参数的前提下，对SFF与三种UFF的速度场、压力场、活性物种浓度、过电位和效率进行对比，并结合不同流量和电流密度下的实验结果验证结构优化效果。
3.波动型流场的流动特性与低压降优势
图5 不同流场的压力特性：（a）压降；（b）泵功率损失；（c）压力分布
图6 SFF与UFF中的电解液流线及不同流场下V²⁺浓度分布
速度场结果显示，SFF中的电解液主要沿通道流动；UFF的中心入口与倾斜肋面则形成显著的厚度方向速度分量，使电解液深入电极，并在较低主流速度下维持有效肋下对流。横向通道增多、肋宽减小后，速度分布更加均衡，UFF-11的区域速度差异最小。各结构压降均随流量增加，但始终为SFF＞UFF-7＞UFF-9＞UFF-11。在130 mL·min⁻¹下，三种UFF相较SFF的压降分别降低44.41%、49.73%和55.41%，泵功率损失趋势一致，表明UFF-11兼具较低局部阻力和辅助能耗。
4.活性物种分布均匀性与极化抑制机理
图7 不同SOC下各流场活性物种的浓度均匀性系数
图8 不同流场的放电电压与过电位对比
流线与V²⁺浓度分布表明，SFF在主流方向上出现逐渐扩大的低浓度区域，而UFF可引导更多流线穿入多孔电极，改善膜侧及电极内部的反应物补给。在50 mL·min⁻¹、100 mA·cm⁻²下，随着SOC由0.8降至0.2，反应物分布均匀性均有所下降，但UFF系列在各放电阶段的均匀性系数均高于SFF，且优势在中后期更加明显。相应地，UFF在30–130 mL·min⁻¹范围内均表现出更高放电电压和更低过电位；在30 mL·min⁻¹下，UFF-7、UFF-9和UFF-11的过电位相较SFF分别降低14.04%、12.71%和11.15%。综合传质、电化学表现及水力损失，研究选取压降最低的UFF-11开展后续实验。
5.低流量高负荷条件下的单电池性能验证
图9 30 mL·min⁻¹下SFF与UFF-11在不同电流密度下的实验充放电曲线、放电容量和功率密度
图10 SFF与UFF-11在不同流量和电流密度下的电压效率、库仑效率和能量效率
在固定流量30 mL·min⁻¹下，对SFF和UFF-11进行了50–200 mA·cm⁻²的充放电实验。随着电流密度升高，两种流场的放电电压和容量均下降，但UFF-11保持了更稳定的放电平台，在100 mA·cm⁻²以上的优势更加明显。200 mA·cm⁻²时，UFF-11的放电容量较SFF提高约165 mAh，最大功率密度增益达到11.74 mW·cm⁻²，说明其强化的电极内部传质能够缓解高负荷下的反应物耗竭和极化损失。
进一步在30–130 mL·min⁻¹和50–200 mA·cm⁻²范围内比较电池效率。两种流场的库仑效率均保持较高水平且差异较小；电压效率和能量效率随流量增加而升高、随电流密度增加而下降。UFF-11在大多数工况下均优于SFF，在30 mL·min⁻¹的低流量高电流密度区域，电压效率最高提高约4.79%，能量效率最高提高约4.29%。随着流量升高、反应物供给趋于充足，两种流场之间的差异逐渐缩小，表明UFF-11的优势主要体现在传质受限工况。
6.计及泵耗的净效率
