一种液流电池流场优化设计方法及液流电池

本发明属于液流电池设计，尤其涉及一种液流电池流场优化设计方法及液流电池。

背景技术：

1、随着碳达峰碳中和目标的提出，我国能源结构加速调整，新能源正在逐渐完成对化石能源的取代，构建新能源为主体的新型电力结构已成为了发展的必然趋势。

2、我国幅员辽阔，拥有广阔的太阳能及风能资源，但这些新能源具有较强的间歇性和波动性，直接并网会对电网产生较大的冲击。大规模储能系统可有效实现可再生能源发电的调幅调频、平滑输出、跟踪计划发电，从而减小可再生能源发电并网对电网的冲击，提高电网对可再生能源发电的消纳能力，同时可解决弃光、弃风等瓶颈问题。因此，大规模储能技术是解决可再生能源发电不连续、不稳定特性，推进可再生能源的普及应用，实现节能减排重大国策的关键核心技术。

3、作为一种本征安全的液流电池技术，液流电池由于电容量和功率可独立设计、循环寿命长、安全性高等优点，在大规模电化学储能领域有广阔的应用前景。为了提升液流电池的性能，需要降低各种极化损失：动力学极化损失、欧姆极化损失、浓差极化损失。其中在低电流密度下，电池的活化极化与电化学反应速率呈正相关，加快电化学反应速率能够降低动力学极化损失，提升电池性能。

4、液流电池主要由电解液、隔膜、电极材料、泵、功率转换系统等部分组成。电解液是液流电池的核心材料，是整个化学体系中存储能量的介质。在液流电池中，电解液成本占据了储能电池成本的一半以上。因此，提升电解液利用率和能量效率，增加单位电解液储电量，被认为是有效地降低液流电池系统成本的手段。为了提升能量效率，两种方案被广泛讨论：一是开发高性能多孔电极，二是设计强化对流的流场。目前商业化多孔电极为碳纸和碳毡，技术已经相对成熟。而常用流场种类研究较少，且不具有普适性。

5、目前的流场结构包括平行流场、叉指形流场和蛇形流场，其中蛇形流场结构如图1所示。随着电化学反应的进行，流场中的活性物质浓度随着入口向出口减小，因此传统的流场设计难以实现大电流密度和高能量效率。

6、虽然流道的引入提升了液流电池多孔电极表面的活性物质传输，而燃料电池中的气体与液流电池中的液体物性参数存在较大差别，比如扩散系数、粘度、密度等有数量级的差异，燃料电池中很多设计经验在液流电池领域中并不可行。

7、如图2所示，传统蛇形流场中相邻流道之间的压差相似，为了增大相邻流道之间的压差，现有技术中，也有方案改进设计改变了流道的排列和顺序。如图3所示，回转蛇形流场在现有技术中已经被提出。如图4所示，流场设计尽管实现了高压差区域，使得电池整体性能得到改善；但也不可避免地引入低压差区域（如流道4与流道6之间、流道6与流道8之间、流道12与流道14之间、流道14与流道16之间的压差均为20 pa，低于传统蛇形流场）。因此，电池的整体性能仍有进一步提升的空间。

8、综上，由于各种流场设计通常存在压力降较低的区域，带来了难以避免的传质不足、局部阻抗过大的问题，难以高效地实现局部传质增强的自主优化，不利于液流电池的性能优化和提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少克服上述现有技术的不足之一，提供了一种液流电池流场优化设计方法及液流电池，利于液流电池的性能优化和提升。

2、本发明的技术方案是：一种液流电池流场优化设计方法，包括以下步骤：

3、对液流电池流场进行初始化设计，得到设计于电极板活性区域的液流电池流场的初始化流场模型；

4、根据设定条件对初始化流场模型的活性物质浓度进行仿真评估，将初始化流场模型中活性物质浓度低于设定临界阈值的区域定义为死区区域；

5、将设定范围的所述死区区域对应流道的初始深度或/和初始宽度进行优化，得到优化后流场模型；

6、将优化后流场模型作为新的初始化流场模型，进行传质死区评估，直至所述死区区域降低至0或设定的范围。

7、具体地，所述方法还包括：

8、将所述电极板活性区域划分为多个区域，多个所述区域呈矩形。

9、具体地，所述方法还包括：

10、计算全域活性物质平均浓度；在所述全域活性物质平均浓度的10%至90%的范围内设定所述临界阈值。

11、具体地，所述在所述全域活性物质平均浓度的10%至90%的范围内设定所述临界阈值，包括：

12、将所述临界阈值设定为所述全域活性物质平均浓度的50%。

13、具体地，所述液流电池流场具有第一端和第二端，沿所述第一端向第二端的方向，所述液流电池流场包括多个转折区域和多个非转折区域，至少部分所述转折区域或/和至少部分所述非转折区域的流场深度具有深度下降的下降部。

14、具体地，至少部分所述转折区域或/和至少部分所述非转折区域的流场深度具有深度上升的上升部。

15、具体地，所述下降部的深度下降为深度突降或坡度下降；所述上升部的深度上升为深度突升或坡度上升。

16、具体地，所述设定条件包括：

17、电解液流量设置为0.1-20 ml·min-1·cm-2，电流密度设置为5-600 ma·cm-2，荷电状态设置为0.05-0.95；

18、具体地，在将设定范围的所述死区区域对应流道的初始深度或/和初始宽度进行优化的步骤中，每次优化所述初始化流场模型对应初始深度或/和初始宽度的值为0.05-0.5 mm；或者，每次优化所述初始化流场模型对应初始深度或/和初始宽度的比例为0.1%至10%。

19、本发明还提供了一种液流电池，所述液流电池具有通过上述的一种液流电池流场优化设计方法得到的流场结构。

20、本发明所提供的一种液流电池流场优化设计方法及液流电池，液流电池流场优化的过程通过仿真模型实现，优化的结果可以通过实验验证，该优化设计方法可以低成本和高效率地进行，利于解决现技术中液流电池流场设计存在传质不足、局部阻抗过大的问题，利于高效地实现液流电池流场局部传质增强的自主优化，从而可以利于液流电池的性能优化和提升，利于提高液流电池的电流密度和能量效率，具有很大的应用价值。

技术特征：

1.一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

3.如权利要求1所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

4.如权利要求3所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述在所述全域活性物质平均浓度的10%至90%的范围内设定所述临界阈值，包括：

5.如权利要求1至4中任一项所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述液流电池流场具有第一端和第二端，沿所述第一端向第二端的方向，所述液流电池流场包括多个转折区域和多个非转折区域，至少部分所述转折区域或/和至少部分所述非转折区域的流场深度具有深度下降的下降部。

6.如权利要求5所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，至少部分所述转折区域或/和至少部分所述非转折区域的流场深度具有深度上升的上升部。

7.如权利要求6所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述下降部的深度下降为深度突降或坡度下降；所述上升部的深度上升为深度突升或坡度上升。

8.如权利要求1所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，所述设定条件包括：

9.如权利要求1所述的一种液流电池流场优化设计方法，其特征在于，在将设定范围的所述死区区域对应流道的初始深度或/和初始宽度进行优化的步骤中，每次优化初始深度或/和初始宽度的值为0.05-0.5 mm；或者，每次优化初始深度或/和初始宽度的比例为0.1%至10%。

10.一种液流电池，其特征在于，所述液流电池具有通过如权利要求1至9中任一项所述的一种液流电池流场优化设计方法得到的流场结构。

技术总结
本发明涉及液流电池设计技术领域，提供了一种液流电池流场优化设计方法及液流电池。优化设计方法包括对液流电池流场进行初始化设计、根据设定条件对初始化流场模型的活性物质浓度进行仿真评估、将设定范围的所述死区区域对应流道的初始深度或/和初始宽度进行优化、将优化后流场模型作为新的初始化流场模型，进行传质死区评估，直至所述死区区域降低至0或设定的范围。液流电池流场优化的过程通过仿真模型实现，可以低成本和高效率地进行，利于高效地实现液流电池流场局部传质增强的自主优化，从而可以利于液流电池的性能优化和提升，利于提高液流电池的电流密度和能量效率，且可行性高、利于推广使用。

技术研发人员：赵天寿,潘律名,谢渐宇,韩美胜,曾林,魏磊
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15