全钒液流电池双极板流道的建模及其优化

1672- 545X（2012）12- 0001- 04
能源是社会发展与经济增长的最基本驱动力， 是人类赖以生存的重要物质基础。人类社会发展过 程中使用了大量的化石能源，特别是自工业革命以 来，大量的石油被利用，不仅导致温室气体和环境污 染物排放量持续增加，而且这些能源也面临枯竭的 危机，能源可持续发展成为举世瞩目的社会课题。为 了实现可持续发展社会目标，必须研究开发绿色无 污染的发电技术，如风能、太阳能、潮汐能等。然而， 可再生能源发电过程受气象条件影响明显，具有随 机性、不连续性特征，难于作为持续稳定的电源使用 [1]。因此，无论是哪种能源的利用，都需要高性能的储 能系统与之匹配，能够将富余的电能存储起来，以待 电力缺乏时使用，还能够实现给边远地区供电，以及 解决电网调峰的问题。另外，电动交通工具的发展以 及农业上大马力拖拉机也需要具有高性能的储能系 统。钒氧化还原液流电池，由于具有造价较低，使用寿 命长，无毒，有利于环保、功率和容量可以灵活改变、 可以 100％深度放电，而且无需保护和保存期无限， 储存寿命长等优点，成为储能的最佳选择之[2]。全钒氧 化还原液流电池（VRB）的研究最早始于澳大利亚新 南威尔士大学（UNSW）Skyllas- kazacos 研究小组[3]，经 过几年的发展，全钒氧化还原液流电池开始走出实 验室，并迈向工程化研发阶段。
男，教授，博士生导师。
1
Equipment Manufacturing Technology No.12，2012
全钒液流电池的总化学反应方程式：
2+
+
+
2+
3+
V VO2 + 2H 葑 VO + V + H2 O
（3）
图 1 平直并联流道
表 1 双极板几何尺寸（mm）
双极板 长宽 210 142
1 数值模型
本文采用传统的平直并联流道结构，如图 1 所
示，在此基础上对其流道结构进行优化。该结构的具
体尺寸见表 1，压差使电解液以层流状态在流道内流
动，氧化还原反应在膜的两侧同时放生，在充放电
时，阴阳极发生的电化学反应如下[4~5]：
正极电解液的反应方程为：
+
+
-
2+
VO2 + 2H + e 葑 VO + H2 O
摘 要：在传统流道的基础上，对全钒液流电池的双极板流道进行了两次优化。通过采用数值模拟方法对双极板流场进 行分析研究，并根据分析结果，将优化的流道结构与传统的流道结构进行比较。结果表明，优化流道后的的性能高于常 用的两种传统流道。 关键词：全钒液流电池；双极板流道优化；电解液流体力学；动力学仿真
中图分类号：TM911.49
一个液压阻力网络[6]，如图 2 所示。
Qn
p1n
p1n
Qj
p1j
p2j
p13
Q2
p23
K1
Kc
K2
p12
p11
Q1
p17
p21
图 2 并联式液压阻力网络
可以设想把流体入口总流道与出口总流道切割
成若干小段，流体入口总流道各小段的阻力系数为
K1，出口总流道个小段的阻力系数为 K2，各支流道内 的液压阻力为 Kc。j 支流道内的流量为 Q j，其进出口 压力分别为 p1j 与 p2j。由于全钒液流电池双极板流道 内的流动状态为层流，支流道内的压降公式可以表
反应区域 长宽 150 92
主流道
支流道
宽 长 槽宽 脊宽 槽深
15 102 4 4 2
1.1 控制方程
本文假设全钒溶液为不可压缩流体，不考虑重
力对流体流动的影响，当不可压缩流体在流道中低
速流动时，其雷诺数很小，钒溶液在流道内以层流的
状态流动，相应流体的连续方程和动量方程为
荦·（ρu）= 0
（4）
荦×（ρuu）= - 荦p + 荦×（μ荦u） （5）
示为：
△pc = KcQ
（6）
式中，Q 为支流道内的流量。在总流道中入口与
出口处的两个相邻支流道之间的压降，分别为 △pin 与 △pout，它们的表达式为：
2
△pin = K1 Qi
（7）
2
△pout = K2 Qo
（8）
式中，Qi 与 Qo 分别为入口总流道与出口总流道 处的流量。
在图 2 中，符号的下标表示支流道的个数。所有
在全钒液流电池中，双极板是全钒液流电池的 关键部件之一，起着连接不同单电池的正负极并导 通电池内电路的作用，要求其具备良好的导电性、机
械强度、耐化学氧化和电化学腐蚀性能。目前，国内外 的专家学者主要从材料对电池性能影响等方面对双 极板进行研究，并取得了很大的成就，但是有关双极 板流道优化方面的报道较少，并且这方面对液流电池 的性能有很大影响，因此，对双极板流道进行优化设 计具有非常重要的意义。由于在传统的两种平直并联 流道和蛇形流道中，平直并联流道具有电解液的流程 较短、流动阻力较小，电解液分布不均匀等缺点，影响 了电池的性能；而蛇形流道虽然电解液分布均匀，但 是其流程较长，流动阻力较大，也对电池性能产生不 利影响。因此，本文将在平直并联流道的基础上，对流 道结构进行两次优化，确定出最佳的流道结构，为全 钒燃料电池的设计和生产提供理论基础。
（1）
负极电解液的反应方程：
2+
3+
-
V 葑V +e
（2）
收稿日期：2012- 09- 05 基金项目：国家自然科学基金（No.51175223）；吉林省科技发展计划项目（No.20100564） 作者简介：刘 记（1984—），女，安徽亳州人，在读硕士，主要从事燃料电池方面的研究；通讯作者：左春柽（1963—），山西繁峙人，
葑葑
葑葑葑葑葑
葑葑
《装备制造技术》2012 年第 12 期 葑葑葑葑葑 试验与研究
全钒液流电池双极板流道的建模及其优化
刘 记 1，左春柽 1，于海明 1，2，左雨欣 1，张 昭 1，刘 鹏 1
（1. 吉林大学机械科学与工程学院，吉林 长春 130025； 2. 黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）
式中，
u 为流体平均速度矢量；
p 为流体压力；
ρ 和 μ 分别为流体的质量密度和动力粘度。
1.2 计算模型
在并联式电池电堆中，流体从入口总管进入若
干个平行的单电池，然后在出口总管处汇集流出。流
体 的 流 动 相 当 于 穿 过 若 干 个 串 并 联 的 流 阻 。 R.J.
Boersma 等人认为，这种电堆的流体模型可以描述为