基于框架设计的液流电池流场优化模拟研究

液流电池通常采用对角平推流流场,会形成电解液滞留区,造成电池局部浓差极化大,影响综合性能。鉴于此,提出了一种基于框架设计的流场优化方法,通过设计电极框架,可以得到“蛇形流道”和“平行流道”两类流场。以全钒液流电池为例,通过数学建模,研究了不同流场结构和参数对于多孔电极内电解液流动特性、电化学反应和温度变化特性的影响规律。计算结果与实验结果一致性良好,结果表明：电解液在“平行流场”内的流动均匀性比在“蛇形流场”内好,且不存在滞留区,同时在“平行流场”内浓差极化也较“蛇形流场”低;此外,对于同样的电极面积,在电极内部的“平行流道”越多,电解液的流速分布越均匀,反应特性越好。     

液流电池流场结构设计与优化研究进展

液流电池结构设计与优化研究是改善电池内部电解液流动性能、提高电堆功率密度和可靠性的重要途径之一。在石墨板上设计并行、交指和蛇形等流道是液流电池使用的传统流道结构,其缺点为流道种类单一、石墨板成本高及机械性能差。为了克服上述缺点,波纹状并行、分离式蛇形、螺旋形等新型流道,在电极上构建流道、引入独立的流道部件、环形与梯形等异形结构等先后被提出。本文从双极板、电极上的结构设计和异形结构设计与优化三方面系统综述了近年来液流电池结构设计与优化研究进展,阐释流场结构等对电池性能的影响机制及其与电池运行、装配间的适配规律,并提出进一步改善电池性能并适合普及应用的流场结构形式。     

全钒液流电池电解液流场结构优化设计

全钒液流电池电解液流场结构合理可使电流密度、钒电解液分布均匀,降低极化,提高电池性能。设计3种不同的电解液流场,研究流场结构对电池极化、充放电电流电压、功率密度和能量效率的影响。结果表明蛇形流场结构简单且易于加工,可使钒电解液均匀分布,增强电解液对流传质能力,能较充分利用钒电解液储能容量,电池的输出功率密度最高可达31.6 mW/cm2,与传统平行流场相比,电池电流效率提高13.9%,电压效率提高6.3%,能量效率提高14.8%,放电容量提高了35.3%。     

全钒液流电池电解液分布的数值模拟

为了提高全钒液流电池双极板流道电解液分布均匀性,考察流体流动行为,本文基于计算流体力学,在传统平直并联流道基础上通过增加倾斜挡板和入口流堰,改进流道结构;同时探究钒电池用电解液在分段式多通道蛇形流道内流体水力学特征。数值模拟结果表明：分段式多通道蛇形流道既可以保持传统蛇形流道流体均匀分配的性能,又能有效降低流阻,减少泵耗;合适的电解液流速及其均匀分布可以优化电解液活性物质浓度分布,提高电解液稳定性,增大钒电池能量效率。     

质子交换膜燃料电池流场板研究进展

流场板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。综述了近十余年来质子交换膜燃料电池流场板的设计与研究进展。研究者们基于平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场,从流道尺寸、流道截面、进口分配段、流道布置等方面开展结构设计和优化,不同程度提高了燃料电池水热管理以及电性能。此外,各种形式的组合流场可综合不同流场优点,多级分形仿生流场优化了反应物、压力与电流密度分布,三维精细化流场通过改善供气方式降低了浓差极化。     

丙三醇对钒液流电池电解液影响的交流阻抗研究

采用交流阻抗法研究了添加剂丙三醇对全钒氧化还原液流电池阳极电解液电极反应影响的内部作用机理。通过RS(Cd(RpW))形式的等效电路对其阻抗谱进行了较好的模拟解析，研究结果发现，随着丙三醇含量的依次增加，溶液电阻、双电层电容和极化电阻均出现最小值，浓差极化电阻出现最大值，此时添加量均为1%，说明含有一定量供电子基团结构的丙三醇能够有效结合钒离子，均匀分散于溶液中，使得溶液电阻降低，当钒离子结合丙三醇后体积增大，双电层电容距离增加，从而双电层电容降低，当钒离子结合丙三醇后更利于向电极表面吸附，提高阳极电解液的催化效率，加大了电极表面反应物浓度与本体溶液中的差值，使得浓差极化电阻增强，电极反应效率提高。     

阳极和阴极流场组合对直接甲醇燃料电池性能的影响

采用蛇形、平行和交指流场分别作为阳极和阴极流场,考察了其对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响。结果表明,对于阳极流场,蛇形流场因其更易于排除CO₂气泡而性能最好,而平行和交指流场中则出现了CO₂气泡堵塞流道的现象,影响了甲醇的传输,性能较差。对于阴极流场,平行流场下半部分流道出现了"水淹"现象,影响了氧气的传输,性能较差。蛇形和交指流场均能顺利排除水滴,性能比平行流场的好;交指流场能保证氧气的充足供应,高电流密度时比蛇形流场的电池性能好。蛇形流场作为阳极流场以及交指流场作为阴极流场将是电池性能较好的流场组合形式之一。     

锌溴液流电池通道的计算流体力学模拟

针对不同类型的锌溴液流电池通道,利用流体力学计算软件 FLUENT对流体的流动状态进行了模拟。结果表明,在相同流速条件下,直角通道和弯角通道流体的局部流速最大值都出现边壁突变处;在液流电池反应区,流体的局部流速和湍流程度的分布存在不均匀现象。通过改变进出反应区的分流通道数量和结构,可以使电解液在反应区流动均匀,改进整个流动体系的传质性能,进而使锌溴液流电池电堆的充放电性能得到提高。     

钒离子浓度对全钒液流电池极化分布的影响

基于物质传递方程、电荷传递方程和电化学动力学方程提出了浓差极化系数的概念,建立了全钒液流电池二维模型,利用有限元法研究了钒电池极化过程,并对电极区域极化的分布进行了定量评估。研究表明:增加钒离子浓度,电极表面和溶液本体浓度趋同,活化极化和浓差极化减小,这种现象在高电流密度下尤为明显;浓度的增加也使得浓差极化系数减小,物质传递的影响减小,浓差极化相对于整个极化影响越来越弱;从进口到出口,浓差极化系数逐渐增加;电极与集流体接触面的浓差极化系数比电极中间区域高得多。     

固体氧化物电解池平行流道流动不均匀性优化模拟

氢能是一种具有高能量密度、无污染的可再生能源。当前,固体氧化物电解水制氢技术(SOEC)对于流场分布的关注较少,而平行流道的流动不均匀性会显著影响SOEC的反应效率和使用寿命。本研究结合燃料电池中对反应物流动情况的研究建立了电化学场、传热场、流场的多物理场耦合仿真模型研究反应物在电解中的分布情况,按照不同的流道宽度比改变平行流道的流道宽度,设计了一种新型Z型平行流场。结果表明：与传统Z型流场相比,8 000 A/m²电流密度下水蒸气摩尔分数不均匀系数由0.152 0下降至0.030 4,电解质局部电流密度差值由6 000 A/m²下降至2 000 A/m²,温差由105.9 K下降至97.2 K,均匀性有明显的提升。各个电流密度下,在出口处的产氢速率上升7%左右,在相同时间内可以产生更多的氢气,提高了制氢的效率。     

对称双阴极固体氧化物燃料电池阴极流道影响的数值模拟

基于热-电-力-化学多物理场耦合理论,针对对称双阴极固体氧化物燃料电池建立了一个三维数值模型,设计出一种具有强化传质能力的Ⅰ型流道,并与传统Z型阴极流道电池中流道的气体流动速率、氧气摩尔分数、压损、温度、应力分布以及电化学性能进行了对比研究。结果表明:在0.6 V工作电压下结构优化后的阴极Ⅰ型流道与传统Z型流道相比,传统Z型的氧气浓度分布差约为58.6%,优化Ⅰ型流道的氧气浓度分布差约为38%,氧气分布更加均匀,优化Ⅰ型流道相较于传统Z型流道压降损失减少约36%,随着工作电压的减少,电池的浓差极化损失越小,能够有效提升电池性能。     

流道结构对膜分离性能的影响

基于CFD技术对不同流道结构的平板式纳滤膜分离器内的流动进行了数值模拟,以考察流道结构对膜分离性能的影响。分析了在平板膜器中加设螺旋形隔板和蛇形隔板后截面流体的次流状况。模拟结果表明在无绕流板流道中加设隔板后存在次流现象,螺旋形流道中流体流动存在二次流漩涡,蛇形流道拐角附近的流体也存在较强的二次流动,对减轻膜污染和浓差极化均有作用。     

采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅱ)电池性能影响因素的分析

利用已建立的数学模型考察了阴极扩散特性参数、阴极流场几何参数、电极电阻、催化剂活性、流道上O₂浓度变化对H₂-Air PEMFCs性能的影响.计算表明,增大氧有效扩散系数、减小扩散层厚度可增大电池的工作电流密度;提高氧还原反应交换电流密度、减小电极电阻、优化流道尺寸可改善电池性能;沿反应气体流动方向逐渐增加MEA的催化剂负载量可提高电流密度分布的均匀性.     

铵钒青铜基浓差流动电池的盐差发电性能研究

浓差流动电池依靠法拉第电极和存在浓度差的两股盐溶液之间可逆的反应,可将盐差能转化为电能;其与传统膜基盐差能提取技术相比具有成本低、寿命长和体积小等优点。然而已报道的浓差流动电池用电极需要预充电处理而且可能产生有毒离子。铵钒青铜是一种对环境友好的法拉第电极材料。它作为电极与普通滤膜组成浓差流动电池,在不需要预充电处理的前提下,平均输出功率密度高达194.3 mW·m^-2（20和500 m mol·L^-1的NaCl溶液）,相比于石墨烯水凝胶基盐差发电器件（141.4 mW·m^-2）提升了37%。此外,盐离子价态和尺寸对盐差发电性能存在一定的影响。铵钒青铜的引入,为设计浓差流动电池中的电极材料提供了新思路。     

可溶铅酸液流电池模拟与仿真

可溶铅酸液流电池是一种使用单个容器存储电解液并且不需要微孔隔膜的氧化还原液流电池,这使得电池设计简单并降低了成本。建立二维暂态可溶铅酸液流电池模型,模型基于对质量、电荷以及能量的转移与守恒以及包含铅离子反应的宏观动力学模型为基础,研究了电极间隔、电极形状、电流密度、实验温度、入口电解液流速和电解质初始浓度对电池性能的影响。研究表明：与平板电极相比,弧形电极明显提高了充电时的电池电压。在影响铅酸液流电池性能的诸多条件中,电池温度和电流密度可能是优化电池性能的重要因素。     

全钒液流电池电堆的均一性

全钒液流电池电堆的均一性直接影响到其寿命。本文从流道结构、运行参数等方面,系统探讨了影响全钒液流电池电堆均一性的各种因素。通过优化管路结构和液流框结构,提高了电堆的均一性,随支管管径不断减小,当主管与支管管径由4∶3减小到4∶1时,电堆进液流量标准偏差由0.039m/s降到0.001m/s,电堆进液流速均一性得到改善;通过优化液流框结构,使电堆单体电池电解液流量标准偏差由0.142m/s降到0.032m/s,改善了电堆单体电池均一性。电解液流量、充放电电流密度等运行参数影响全钒液流电池电堆均一性,对其进行了实验与分析,结果表明:电堆电压标准偏差随充放电电流增大而线性增大,其斜率与截距均与电解液性质、电极材料性质及表面结构等因素有关;电堆电压标准偏差随电解液流速的增大而减小,且在超过一定流量后不再变化,为全钒液流电池材料选型优化、结构优化及运行提供技术支撑。     

OPzV胶体电池浮充压差探讨

现今的技术条件下,影响胶体电池浮充压差的关键因素已不再是那些在电池里的"固相",更重要的是可以引起浓差极化的胶体电解液和化成工艺才是关键因素。胶体电池初期氧化合通道的快速建立依赖于胶体电解液的质量和科学合理的化成充放电制度。主要对解决OPzV胶体电池浮充压差问题提出了新的思路和解决办法。     

三层共挤出吹膜机头流道的流场分析

三层共挤吹塑薄膜可将产品的多种特性在挤出过程中进行复合,并能大幅度地降低成本,因而其应用越来越广泛。以LDPE/HDPE/LDPE三层共挤出薄膜为例,确定了三层共挤吹膜机头的流道结构,使用ICEM CFD对机头流道划分全六面体网格,采用POLYFLOW对机头流道内等温流动过程进行求解并分析了压力场、速度场和剪切速率场。机头流道流场的研究结果表明,层分配流道压力降较高,共挤出流道压力降较低;层分配流道存在滞留区,熔体汇入共挤出流道后,相邻层熔体的速度分布向该层速度分布方式不断变化;层分配流道中,沿螺旋槽轴线方向,剪切速率逐渐降低,随着层数的增加,共挤出流道壁面上的剪切速率减小。     

五氧化二钒电解制备全钒液流电池V3+电解液

电解液的质量直接决定了全钒液流电池的储电能力。为了降低全钒液流电池的生产成本,在国内首次采用流动型电解槽电解还原法,研究了采用相对廉价的五氧化二钒(V2O5)代替价格昂贵的硫酸氧钒(VOSO4)为原料制备全钒液流电池电解液的制备技术;研究了阳极电极材料、电解电流密度等对制备电解液的影响因素;并通过循环伏安、交流阻抗和充放电测试分析和比较由两种原料制备的电解液的电化学性能。实验结果表明:以Ru Ir/Ti为阳极,多孔铅板为阴极,3 mol·L-1 H2SO4为阳极电解液,1.5 mol·L-1 V2O5+3 mol·L-1 H2SO4粉末混合溶液为阴极电解液,40 m A·cm-2恒流电解得到的电解液不但具有良好的电化学活性和可逆性,且电流效率高和电能损耗低,完全可以满足全钒液流电池的工作需求。     

微型直接甲醇燃料电池阳极传质分析

针对微型直接甲醇燃料电池,将阳极流场板简化为规则结构的多孔介质,运用多孔介质理论建立了包括流场板在内的阳极传输模型。模型考虑了阳极流道内液体饱和度沿流动方向的变化、催化层的厚度以及甲醇渗透,计算并讨论了阳极流道内液体饱和度的分布和流量对电池电流密度的影响,分析了阳极过电位对甲醇浓度分布和电池性能的影响以及质子交换膜内的传质特性。