研究背景

       对于全钒液流电池而言，影响其电池性能的关键因素主要包括电解质、多孔电极和选择性离子交换膜等。许多研究人员通过在实验和模拟的基础上进行了大量研究，通过使用多种方法和策略来提高全钒液流电池的性能。其中，流场的宏观优化与重构是目前最热门的研究热点之一。与实验探索相比，数值方法对于不同的控制策略和模型结构会更加方便和高效。目前，已经存在一些研究着重于对电极的改进和流场的优化上，但关于流道截面形状对全钒液流电池传质和电池性能影响的研究还从来没有被报道过。这里将探讨由山西大学Fu-zhen Wang等关于通过对流道截面重构从而实现全钒流电极传质增强及电池性能优化的工作。

研究亮点

       本文作者提出了一种基于通道截面重构的新型电池性能优化方法，可以增强电解液的渗透性并促进离子分布，并建立了全钒液流电池的3D数值模型，可以预测充放电过程，并通过已报道的实验得到验证。作者基于该模型，研究了流道截面形状对多物质输运行为和电池性能的影响，也为未来全钒液流电池的设计提供了参考。结果表明，多孔电极中的传质行为和电池性能受通道截面的影响，进而影响雷诺数和流体力学。而采用半圆形通道截面设计的全钒液流电池由于较低的过电位和更好的活性物种分布均匀性，因此具有最低的充电电压和最高的放电电压。在 3/4L 切面，半圆形设计的平均浓度比三角形通道高 15.5%，并且半圆形流道的均匀度系数比三角形流道高15.4%，因此半圆形是流道截面形状的最佳设计。

研究内容

本篇内容对文中涉及的模型具体参数设置，如边界条件、性能参数、数值细节等不过多阐述，有兴趣的朋友可以阅读原文进行了解。为了验证数值模型的合理性，作者首先将仿真数据与一篇文献的结果进行了对比，如下图所示。在模型验证中，通道截面的形状设置为矩形，可以看出，数值数据和实验结果无论是充电还是放电都表现出良好的一致性，这表明该数值模型能够准确地预测全钒液流电池的充放电过程。

    

    

最后，实验探究了不同流道设计对电池的输出功率和效率的影响，结果表明半圆形设计比其他两种设计输出功率更高，并且半圆形设计在低入口流量方面的优势更加明显，可以看出半圆形设计的VRFB对实现电池的高效率并最大程度地减少能量损失具有积极作用。但三种不同流道随流量的压降结果显示半圆形设计具有最高的压降，这对电池性能是不利的。深入研究结果表明，半圆形设计的净功率在流速小于50 ml/min之前最大，但随着入口流量的增加，高压降导致泵功率损失较大，因此半圆形设计的功率降低。同时，基于功率的系统效率图可以看出，随着流量的增加，系统效率先增加后降低。并且在整个流量范围内，半圆形设计可以获得最高的系统效率，约为93.5%。因此，综合考虑流道截面结构对输出功率和效率的影响，半圆形设计的VRFB优于其他两种设计。