中無碼人妻豐滿熟婦啪啪,亚洲人成电影在线手机网站苍井空 ,国产高清在线看?v片

【前沿追蹤】流道截面形狀對液流電池性能的影響——半圓形勝出！

分類：前沿資訊

- 作者：羅旋

- 發(fā)布時間：2022-11-21

【概要描述】【前沿追蹤】流道截面形狀對液流電池性能的影響——半圓形勝出！

研究背景

對于全釩液流電池而言，影響其電池性能的關(guān)鍵因素主要包括電解質(zhì)、多孔電極和選擇性離子交換膜等。許多研究人員通過在實驗和模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量研究，通過使用多種方法和策略來提高全釩液流電池的性能。其中，流場的宏觀優(yōu)化與重構(gòu)是目前最熱門的研究熱點之一。與實驗探索相比，數(shù)值方法對于不同的控制策略和模型結(jié)構(gòu)會更加方便和高效。目前，已經(jīng)存在一些研究著重于對電極的改進(jìn)和流場的優(yōu)化上，但關(guān)于流道截面形狀對全釩液流電池傳質(zhì)和電池性能影響的研究還從來沒有被報道過。這里將探討由山西大學(xué)Fu-zhen Wang等關(guān)于通過對流道截面重構(gòu)從而實現(xiàn)全釩流電極傳質(zhì)增強及電池性能優(yōu)化的工作。

研究亮點

本文作者提出了一種基于通道截面重構(gòu)的新型電池性能優(yōu)化方法，可以增強電解液的滲透性并促進(jìn)離子分布，并建立了全釩液流電池的3D數(shù)值模型，可以預(yù)測充放電過程，并通過已報道的實驗得到驗證。作者基于該模型，研究了流道截面形狀對多物質(zhì)輸運行為和電池性能的影響，也為未來全釩液流電池的設(shè)計提供了參考。結(jié)果表明，多孔電極中的傳質(zhì)行為和電池性能受通道截面的影響，進(jìn)而影響雷諾數(shù)和流體力學(xué)。而采用半圓形通道截面設(shè)計的全釩液流電池由于較低的過電位和更好的活性物種分布均勻性，因此具有最低的充電電壓和最高的放電電壓。在 3/4L 切面，半圓形設(shè)計的平均濃度比三角形通道高 15.5%，并且半圓形流道的均勻度系數(shù)比三角形流道高15.4%，因此半圓形是流道截面形狀的最佳設(shè)計。

研究內(nèi)容

本篇內(nèi)容對文中涉及的模型具體參數(shù)設(shè)置，如邊界條件、性能參數(shù)、數(shù)值細(xì)節(jié)等不過多闡述，有興趣的朋友可以閱讀原文進(jìn)行了解。為了驗證數(shù)值模型的合理性，作者首先將仿真數(shù)據(jù)與一篇文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了對比，如下圖所示。在模型驗證中，通道截面的形狀設(shè)置為矩形，可以看出，數(shù)值數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果無論是充電還是放電都表現(xiàn)出良好的一致性，這表明該數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測全釩液流電池的充放電過程。

文章首先研究了不同流道結(jié)構(gòu)（半圓形流道、矩形流道和三角形流道）對全釩液流電池性能的影響。對于充放電電壓的研究結(jié)果表明，SOC從0.1變化到0.9，VRFB完成充電過程，半圓形流道需要最低充電電壓，三角形流道消耗最高充電電壓。而當(dāng)SOC從0.9變化到0.1，VRFB向外部放電，半圓形流道釋放最高的放電電壓，三角形流道提供最小的放電電壓。傳統(tǒng)矩形流道的電壓性能介于半圓形和三角形流道之間，說明新型半圓形流道設(shè)計可以大大提高傳統(tǒng)VRFB的充放電性能。

而不同流道設(shè)計下過電位隨SOC的變化曲線表明半圓形流道VRFB具有最小的過電位，而矩形和三角形的流道要差得多。隨著放電的進(jìn)行，VRFB的過電位先下降后上升。半圓形流道的優(yōu)勢在SOC = 0.1 時更為顯著。

流道形狀對極化曲線的影響表明電流密度的增加會導(dǎo)致放電電壓的降低。而半圓形通道設(shè)計產(chǎn)生最高電壓在相同電流密度下，說明半圓形設(shè)計的極化損耗最小，極化現(xiàn)象最不明顯。全釩液流電池中較低的過電位意味著較低的極化損耗，這會導(dǎo)致較高的電壓，因此，半圓形通道設(shè)計可以促進(jìn)多物種的傳輸，降低電壓損耗，提高 VRFB 的性能。

多孔電極中釩離子的濃度值和濃度分布對于評價 VRFB 的性能非常重要。因此通過對V²⁺離子進(jìn)行濃度分布的研究可以清楚地看到，平均濃度從左到右逐漸減小，說明半圓形流道更有利于活性離子向電極的傳輸。并且，半圓形設(shè)計的濃度分布比矩形和三角形流道更均勻。

通過對在SOC = 0.2 條件下的三個流道在不同切割平面上的 V²⁺離子平均濃度值研究發(fā)現(xiàn)，無論是在電極的 1L/4、1L/2 還是 3L/4 切面，半圓形流道中的V²⁺的平均濃度最高，半圓形設(shè)計的濃度值在 3/4L 剖切面上比矩形通道高 10.6%，比三角形通道高 15.5%，因此半圓形設(shè)計可以顯著提高基于矩形流道的 VRFB 的性能。

研究還對V²⁺離子在不同流道放電時的均勻度因子進(jìn)行了探討，可以看出濃度均勻度隨著VRFB的放電而不斷降低，半圓形流道的均勻性因子高于矩形和三角形設(shè)計，并且在放電結(jié)束時更加明顯。半圓形流道的均勻度系數(shù)比矩形流道提高9%，比三角形流道提高15.4%，這表明半圓形流道更有利于傳質(zhì)。

實驗也探究了不同流速下不同流道構(gòu)造對電池性能的影響。從結(jié)果可以看出，具有半圓形流道的 VRFB 在三種流道設(shè)計中無論在SOC = 0.2 還是在SOC= 0.8時都能達(dá)到最佳性能，并且半圓形流道在低流速條件下表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢。

傳質(zhì)和流體動力學(xué)行為的差異可能是導(dǎo)致不同的流道設(shè)計下 VRFB 的電壓特性不同的主要原因。因此對雷諾數(shù)進(jìn)行研究可作為評價傳質(zhì)行為的性能指標(biāo)。從結(jié)果來看，高流速導(dǎo)致高雷諾數(shù)，并且具有半圓形流道的VRFB可以獲得最大的雷諾數(shù)，表明流體動力學(xué)和傳質(zhì)之間的協(xié)同作用更好，從而導(dǎo)致 VRFB 的電池性能更好。由于半圓形設(shè)計中的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)矩形設(shè)計，因此半圓形流道可以增強VRFB的傳質(zhì)性能，促進(jìn)電極中的電化學(xué)反應(yīng)。

研究同樣探索了放電過程中三個流道的濃度均勻性因子隨流量的變化。結(jié)果表明在相同流量下，半圓形流道的濃度均勻性因子最大，三角形設(shè)計最低。濃度均勻性因子越高，意味著傳質(zhì)行為越好，從而可以帶來更好的電池性能。因此，大流量的應(yīng)用和半圓形流道的使用是提高VRFB性能的有效措施。

最后，實驗探究了不同流道設(shè)計對電池的輸出功率和效率的影響，結(jié)果表明半圓形設(shè)計比其他兩種設(shè)計輸出功率更高，并且半圓形設(shè)計在低入口流量方面的優(yōu)勢更加明顯，可以看出半圓形設(shè)計的VRFB對實現(xiàn)電池的高效率并最大程度地減少能量損失具有積極作用。但三種不同流道隨流量的壓降結(jié)果顯示半圓形設(shè)計具有最高的壓降，這對電池性能是不利的。深入研究結(jié)果表明，半圓形設(shè)計的凈功率在流速小于50 ml/min之前最大，但隨著入口流量的增加，高壓降導(dǎo)致泵功率損失較大，因此半圓形設(shè)計的功率降低。同時，基于功率的系統(tǒng)效率圖可以看出，隨著流量的增加，系統(tǒng)效率先增加后降低。并且在整個流量范圍內(nèi)，半圓形設(shè)計可以獲得最高的系統(tǒng)效率，約為93.5%。因此，綜合考慮流道截面結(jié)構(gòu)對輸出功率和效率的影響，半圓形設(shè)計的VRFB優(yōu)于其他兩種設(shè)計。

總而言之，半圓形流道設(shè)計優(yōu)于傳統(tǒng)矩形流道和三角形流道的設(shè)計，對提升液流電池性能能起到最好的效果，因此可在未來的液流電池流道設(shè)計中予以考慮。