全钒液流电池中蛇型和插指型流道的对比

摘要

全钒液流电池因具有优异的安全性和超长的循环寿命,使其在规模储能领域具有广阔的应用前景。但钒电池较高的储能成本限制了它的规模化发展,大幅提高其功率密度进而降低储能成本是实现钒电池商业化的有效途径。流场是影响钒电池功率密度的关键部件之一,匹配的流场能够有效改善钒电池在高倍率放电时的浓差极化,从而实现较高的功率密度。但目前关于不同流场性能优劣的研究结论却存在较大分歧,严重影响了它们的工程化应用。本工作针对钒电池中最为常用的蛇型和插指型流道,通过仿真和实验相结合的方式系统地研究了比流量、流场尺寸对传质及电池性能的影响规律,并揭示了这两种流场在不同工况下得出不同甚至相反结论的根本原因。结果显示,在相同比流量下,电解液在蛇型流道电极内的流速远大于插指型流道,所以在低比流量下蛇型流道的性能明显好于插指型流道;增加比流量或提高流场尺寸均可提升电池的性能,由于插指型流道的临界流量大于蛇型流道,所以插指型流道性能的提升幅度明显大于蛇型流道,进而导致两种流场间的性能差异会随着比流量和流场尺寸的增加逐渐减小甚至出现性能反转。本工作不仅加深了对钒电池流场结构及其传质过程的认识,也为流场的工程化应用提供了依据和方向。