中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系趙天壽院士、魏磊副教授在液流電池強(qiáng)化傳質(zhì)方向取得進(jìn)展，相關(guān)論文以“Dead-zone-compensated design as general method of flow field optimization for redox flow batteries”在美國(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）發(fā)表。該工作突破了以往流場(chǎng)設(shè)計(jì)的固有思路，發(fā)展針對(duì)液流電池傳質(zhì)真空區(qū)域檢測(cè)與調(diào)控的新方法，使得液流電池能量效率和額定工作電流密度等關(guān)鍵指標(biāo)顯著提升。
液流電池內(nèi)部傳質(zhì)真空的現(xiàn)象已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，但由于涉及到多部件、跨尺度和多物理場(chǎng)耦合過程，其形成機(jī)理尚未被系統(tǒng)性地分析和討論。復(fù)雜的物質(zhì)傳輸和耦合反應(yīng)的過程使得多孔電極表面活性物質(zhì)分布難以各處均勻，以活性物質(zhì)的對(duì)流通量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，通常能夠發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)真空區(qū)域與液流電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流道內(nèi)的水力壓力、肋下流強(qiáng)度等具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性（圖1）。在明晰液流電池內(nèi)涉及傳質(zhì)真空區(qū)域形成的多部件、多尺度、多物理場(chǎng)耦合過程后，本研究提出了一個(gè)用于液流電池的檢測(cè)與調(diào)控的通用性設(shè)計(jì)方法（圖2）。
圖1 液流電池內(nèi)電解液的流動(dòng)與傳質(zhì)真空區(qū)域的形成
圖2 針對(duì)已有流場(chǎng)設(shè)計(jì)的真空區(qū)域檢測(cè)與調(diào)控工作流程
根據(jù)上述方法，本研究以全釩液流電池為例，搭建了以釩離子作為活性物質(zhì)的三維多物理場(chǎng)數(shù)值仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)與調(diào)控效果。三維計(jì)算流體力學(xué)仿真結(jié)果顯示傳統(tǒng)蛇形流場(chǎng)和文獻(xiàn)報(bào)道的改進(jìn)蛇形流場(chǎng)中均存在低壓力差區(qū)域，而在迭代優(yōu)化后，調(diào)控設(shè)計(jì)將顯著提升相鄰流道壓力差（圖3）。三維多物理場(chǎng)仿真結(jié)果顯示，相應(yīng)區(qū)域的電解液流速和活性物質(zhì)濃度顯著增加（圖4）。
圖3 調(diào)控前后的流道內(nèi)水力壓力分布
圖4 調(diào)控前后的電解液流速與活性物質(zhì)濃度分布
在此基礎(chǔ)上，液流電池的電化學(xué)性能可以通過對(duì)比多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行量化驗(yàn)證。在放電過程中的負(fù)極側(cè)，多孔電極中的活性物質(zhì)平均濃度和分布均勻性系數(shù)的提升是傳質(zhì)真空區(qū)域得到調(diào)控的有力證據(jù)（圖5）。與此同時(shí)，調(diào)控設(shè)計(jì)的流場(chǎng)會(huì)一定程度的增加壓降從而犧牲一部分的泵功。充放電曲線和能量密度曲線對(duì)比了調(diào)控前后的電池容量保持率和能量效率，在80%能量效率下的最大工作電流密度達(dá)到了205mA cm-2 （圖6）。
圖5 調(diào)控前后數(shù)值仿真的電池性能
圖6 調(diào)控前后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的電池性能
以上結(jié)果從理論、仿真和實(shí)驗(yàn)等方面充分驗(yàn)證了所提出的所提出方法的有效性。除此之外，該設(shè)計(jì)方法具有通用性，可以被遷移和應(yīng)用于其他流場(chǎng)圖案中。在相同的電解液流量下，以能量效率和泵功損耗修正的系統(tǒng)能量效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入調(diào)控設(shè)計(jì)能夠分別實(shí)現(xiàn)能量效率3.1~4.6%和2.7~4.3%的提升（圖7）。
圖7 真空區(qū)域檢測(cè)與調(diào)控通用方法應(yīng)用于不同流場(chǎng)圖案
這項(xiàng)工作關(guān)注液流電池中普遍存在的傳質(zhì)真空區(qū)域的現(xiàn)象，揭示了流場(chǎng)設(shè)計(jì)與傳質(zhì)真空區(qū)域形成原因及影響規(guī)律，從多部件、多尺度和多物理場(chǎng)的耦合機(jī)理出發(fā)，提出了檢測(cè)與調(diào)控的通用方法。將三維多物理場(chǎng)耦合數(shù)值仿真模型與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，調(diào)控設(shè)計(jì)對(duì)液流電池性能的提升作用得到了全面驗(yàn)證，有極大潛力被應(yīng)用于大面積液流電池堆設(shè)計(jì)中。
趙天壽院士和魏磊副教授為論文共同通訊作者，機(jī)械與能源工程系2022級(jí)博士生潘律名與訪問學(xué)者孫靜為共同第一作者。南科大為論文第一單位。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)和中鹽鹽穴綜合利用股份有限公司的支持。
