CN116956633A - 一种液流电池流场优化设计方法及液流电池 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种液流电池流场优化设计方法及液流电池
技术领域
本发明属于液流电池设计技术领域，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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
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：
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；
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；
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；
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。
具体地，所述方法还包括：
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。
具体地，所述方法还包括：
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。
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：
将所述临界阈值设定为所述全域活性物质平均浓度的50%。
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。
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。
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。
具体地，所述设定条件包括：
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；
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%。
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。
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中传统蛇形流场结构的立体示意图；
图2为现有技术中传统蛇形流场相邻流道压降的示意图；
图3为现有技术中回转蛇形流场结构的立体示意图；
图4为现有技术中回转蛇形流场相邻流道压降的示意图；
图5为本发明实施例所提供的一种液流电池流场优化设计方法的流程图；
图6为本发明实施例一中一种局部梯度设计的回转蛇形流场结构的示意图；
图7为本发明实施例一中一种局部梯度设计的回转蛇形流道压降的示意图；
图8为本发明实施例一中一种局部梯度设计的回转蛇形流道组装到液流电池上的全电池示意图；
图9为本发明实施例一的蛇形流道结构的流场板与多孔电极的相对位置以及电解液在二者中的流动方式示意图；
图10为本发明实施例一中流道结构流场内电解质速度分布对比示意图；
图11为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场的流场内电解质反应物浓度（d-f）对比示意图；
图12为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场的流场内平均反应物浓度的对比示意图；
图13为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场在电流密度对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的多孔电极内的分布均匀性系数的对比示意图；
图14为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场在电流密度对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的流场入口和出口之间压降的示意图；
图15为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线示意图；
图16为本发明实施例一中一种优化蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线示意图；
图17为本发明实施例一中一种优化蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线的示意图；
图18为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图；
图19为本发明实施例一中一种优化蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图；
图20为本发明实施例一中一种优化蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图；
图21为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上并进行300次循环，通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图；
图22为本发明实施例一中一种优化蛇形流场对比于传统蛇形流场通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图；
图23为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图；
图24为本发明实施例一中一种优化的蛇形流场的结构俯视图；
图25为本发明实施例二中一种优化的蛇形流场的三维结构示意图；
图26为本发明实施例二中一种优化的蛇形流场的结构俯视图；
图27为本发明实施例三中一种优化的蛇形流场的三维结构示意图；
图28为本发明实施例三中一种优化的蛇形流场的结构俯视图；
图29为本发明实施例四中一种优化蛇形流场的三维结构示意图；
图30为本发明实施例四中一种优化的蛇形流场的结构俯视图；
图31为本发明实施例五中优化的蛇形流场的三维结构示意图；
图32为本发明实施例五中优化的蛇形流场的结构俯视图；
图33为本发明实施例一至五中优化的蛇形流场对比于回转蛇形流场分别组装到液流电池上并通过多物理场仿真得到的平均反应物浓度的关系示意图；
图34为本发明实施例一至五的优化蛇形流场对比于回转蛇形流场分别组装到液流电池上并通过多物理场仿真得到的系统能量效率的关系示意图；
图35为本发明实施例一的优化蛇形流场对比于传统蛇形流场通过实验得到库伦效率、能量效率和电压效率变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
本发明实施例提供的一种液流电池流场优化设计方法，包括以下步骤：初始化设计步骤、传质死区评估步骤、优化设计步骤和重新评估步骤。其中：
初始化设计步骤：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；
传质死区评估步骤：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，且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，各所述死区区域具有初始深度和初始宽度，若在传质死区评估步骤中评估认定存在死区区域，则执行下述优化设计步骤；
优化设计步骤（也称死区补偿步骤）：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，并以优化后流场模型进行下述重新评估步骤；
重新评估步骤：将优化后流场模型作为新的初始化流场模型，重新进行上述传质死区评估步骤（若还存在死区区域，则继续进行优化设计步骤，优化设计步骤之后，再进行重新评估步骤），直至所述死区区域降低至0或设定的范围（大于零且小于设定值或小于设定比例）。
这样，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。
具体地，在初始化设计步骤中，先进行初始双极板流场设计（液流电池流场设计，简称流场设计）；针对流场设计进行三维建模仿真，并通过求解流体力学、电学和传质学耦合多物理场模型，计算出液流电池流场在一定电解液流量、电流密度和荷电状态下的活性物质浓度；
具体地，活性物质平均浓度可通过求解流体力学、电学和传质学耦合多物理场得到。电解液在流场中的流动以纳维-斯托克斯方程定义，在多孔电极中的流动以达西定律定义。电池中的电学和传质学场按二次电流分布与稀物质传质模型定义，其中能斯特方程被用于计算电压，能斯特-普朗克方程被用于计算活性物质通量。在多物理场模型中，流场入口被定义为具有固定的电解液浓度和流入速度，流场出口被定义为大气压力。具体应用中，可以通过仿真软件进行仿真而得到上述活性物质浓度。
具体地，多物理场仿真模型的求解包括以下步骤：定义电池的几何域、定义流体力学场、定义电学场、定义传质学场、划分网格、设置收敛条件和求解器并计算求解，在模型收敛后提取传质学场中的活性物质浓度项进行后处理即可评估活性物质浓度分布。
具体地，在筛选出所有现有流场的传质死区后，可以针对传质死区进行流场设计的优化，所述流场设计的优化可以通过改变传质死区处对应的流道的深度或/和流道的宽度实现。
具体地，传质死区评估步骤中，在求解活性物质浓度分布的基础上，计算电极内活性物质平均浓度，并以一定的活性物质浓度阈值作为传质死区检测标准，低于该阈值的区域被判定为传质死区。在所述传质死区评估步骤之前，所述方法（液流电池流场优化设计方法）还包括：将所述电极板活性区域划分为多个区域对应的活性物质浓度，多个所述区域呈矩形。液流电池流场包括多条依次相邻的流道，本实施例中，将三维建模仿真后将活性表面（液流电池流场区域在流场板的对应区域）划分为一定的区域，每个区域可为一个矩形，具体应用中，多个区域的长度和宽度可以相同，便于仿真计算。区域的划分可以设置为任意长度或宽度的组合，对于不同的区域，所述长度或宽度的变化可以在0.1-1 mm之间。具体应用中，初始化流场模型中，液流电池流场的流道宽度可以相同。优化设计步骤中，可以优先对液流电池流场的深度值进行优化，优化的方式可以为增加液流电池流场对应区域的深度，深度的增加，可按设定的数值进行，例如每次优化增加流道深度0.01 mm 或0.02 mm或0.05mm或0.08 mm或0.1 mm或0.2 mm或0.3 mm或0.4 mm或0.5 mm等合适数值，也可以按设定的比例进行，例如每次优化为增加流道深度的0.2%、0.5%、1%、2%、3%等。第二次及后续进行优化时，可以以初始流道深度为基准，按设定的比例进行优化，或者，第二次及后续进行优化时，可以以上一次优化后的流道深度为基准，按设定的比例进行优化。例如，流道的深度为5mm，第一次优化时，按1%的比例进行优化，即将流道的深度优化为5.05mm，第二次优化时，可以按初始流道深度（5mm）为基准，按1%的比例的增幅进行优化，即将流道的深度优化为5.10mm，以此类推。或者，第二次优化时，可以按上次优化后流道深度（5.05mm）为基准，按1%的比例的增幅进行优化，即将流道的深度优化为5.1005mm，以此类推。
相邻流道相以垂直设置，作为可选的优化方式，也可以将相邻流道的交接处优化为圆角过渡，并在优化设计步骤中对圆角半径的大小进行优化。通过使相邻流道的交接处优化为圆角过渡，有利于减小泵损功率。
具体地，所述传质死区评估步骤中包括临界阈值设定步骤，所述临界阈值设定步骤位于评估各所述区域的活性物质浓度之后，所述临界阈值设定步骤包括：
计算全域活性物质平均浓度，所述设定临界阈值设定在所述全域活性物质平均浓度的10%至90%的范围内。本实施例中，在进行传质死区评估步骤中，所述设定临界阈值设定为所述全域活性物质（针对初始化设计步骤中得到的初始化流场模型）平均浓度的50%。本实施例中，在求解活性物质浓度分布的基础上，计算电极内活性物质平均浓度，并以一定的活性物质浓度阈值作为传质死区检测标准（临界阈值），低于该临界阈值的区域被判定为传质死区。
当然，每次对液流电池流场优化设计中，通常只设置一次临界阈值。
在一些特殊情况中，例如第一种情况：进行传质死区评估步骤的次数小于设定值时且死区区域减小至零时，进入所述临界阈值设定步骤，将所述活性物质浓度阈值上调设定的范围并重新进行所述传质死区评估步骤，有利获得更优的液流电池流场优化设计方案。
在一些特殊情况中，例如第二种情况：进行传质死区评估步骤的次数大于设定值时且死区区域未减小至设定范围，可进入所述临界阈值设定步骤，将所述活性物质浓度阈值下调设定的范围并重新进行所述传质死区评估步骤，可以避免无法输出液流电池流场优化设计方案。
具体应用中，所述优化设计步骤的次数在1-1000次之间，即进行传质死区评估步骤的次数设定值可以为1至1000之间，例如10至900次之间，或者100次、200次、300次、400次、500次、600次、700次、800次、900次等。
具体地，所述液流电池流场具有第一端（电解液输入端）和第二端（电解液输出端），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。液流电池流场具有长流道和短流道（本实施例中，长短为相对概念，短流道为长度短于长流道的流道），将短流道定义为转折区域，将长流道定义为非转折区域。短流道两端的长流道，其深度与短流道两端处的深度相同，相应短流道的深度优化后，连接于其下游对应的长流道的深度也将相应调整至与短流道下游端对应的深度相等。以蛇形流道为例，其包括多个长流道和多个短流道，各长流道平行间隔设置且两端对齐，沿蛇形流道第一端向第二端的方向，短流道连接于相邻长流道的端部，使长流道和短流道交替设置连接形成蛇形流道，转折区域即为短流道对应的区域，非转折区域即为长流道对应的区域。
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。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下降的下降部，深度下降的下降部通常不连续设置。本实施例中，液流电池流场进行初始化设计时，仅在部分所述转折区域或全部所述转折区域设置有深度降，以提高设计效率以及后续的加工制造成本。当然，也可以同时在部分或全部非转折区域设置有深度降。深度降可为初始化设计步骤进行预设，也可以为在优化设计步骤中优化，累计深度降过大时，即在活性物质浓度值大于设计值处设置深度降，避免因累计深度降过大而导致极板厚度过大，液流电池流场中适当的深度上升，可以提供更大的深度降余量。具体应用中，流道中进液端和出液端的深度可以相同，流道中累计深度降（深度降低）和累计深度升（深度增加）的值可以相等。
具体应用中，传质死区涉及多条流道时，可对多条流道同时进行优化。在每次优化时，传质死区的流道按深度突降进行变化，以增大死区内相邻流道之间的压力差，增强传质死区内肋下对流。当然，也可以仅对最靠近第一端且具有传质死区的转折区域所对应的流道进行优化，得到优化后流道（直接连接于优化后流道的直接下游流道，其深度适应性调整）。具体地，死区补偿后的优化效果以液流电池的能量效率和电解液利用率作为整体性优化标准来进行评估。优化的过程通过多物理场仿真模型实现，优化的结果以实验验证，该优化设计方法可以低成本和高效率地进行。
具体地，所述下降部的深度下降为深度突降（90度台阶式，局部梯度设计的一种）或坡度下降（坡度式）；所述上升部的深度上升为深度突升（90度台阶式）或坡度上升（坡度式）。本实施例中，深度下降以深度突降为例，深度上升以深度突升为例。
具体地，所述传质死区评估步骤中的设定条件包括：电解液流量设置为0.1 mL·min-1·cm-2-20 mL·min-1·cm-2，电流密度设置为5 mA·cm-2-600 mA·cm-2，荷电状态设置为0.05-0.95。
本发明所提供的一种液流电池流场优化设计方法，其合理利用了双极板在厚度方向的空间，可结合数值模拟和实验结果，对流场槽深在厚度方向上进行合理的设计，不仅可显著增强了传质效果，而且降低了压降损耗，可以提高液流电池的性能，且可行性高、利于推广使用。
具体地，所述优化设计步骤中，每次优化所述初始深度或/和初始宽度的值为0.05-0.5 mm；或者，每次优化所述初始深度或/和初始宽度的比例为0.1%至10%。
具体应用中，如图5所示，液流电池流场优化设计方法可以参考如下：
S1. 进行初始双极板流场设计（即液流电池流场设计）；
S2. 进行三维建模仿真，计算得到浓度场，即针对流场设计进行三维建模仿真，通过求解流体力学、电学和传质学耦合多物理场模型，计算出在一定电解液流量、电流密度和荷电状态下的活性物质浓度；
S3. 将活性表面划分为(i×j)的区域，评估各区域平均浓度ci,j（各区域平均活性物质浓度）；并求全域平均浓度（即活性表面整体的平均活性物质浓度）。
全域平均浓度：；
S4. 评估各区域平均浓度ci,j与全域平均浓度的相对大小时，若ci,j小于全域平均浓度的50%，则判断对应的区域是传质死区，并对（i,j）区域进行优化，具体将（i,j）区域的流道深度降低1%，再返回S2。
评估各区域平均浓度ci,j与全域平均浓度的相对大小时，若ci,j大于或等于全域平均浓度的50%，则判断判断对应的区域不是传质死区，并继续判断是否优化了（i,j）中所有区域，若是，则完成流场设计优化；
S5. 针对传质死区进行补偿性流场优化设计（优化流道初始深度值或/和初始宽度值）；评估是否达到死区补偿效果，若是，进入S6；若否，回到步骤S2；
S6. 在实现预设死区补偿效果后完成流场设计优化
本发明实施例还提供了一种液流电池，所述液流电池具有上述的一种液流电池流场优化设计方法得到的流场结构。
以下根据不同实施例对上述液流电池流场优化设计方法进行进一步说明：
实施例一：
初始化设计步骤中，对液流电池流场进行初始化设计，得到一种液流电池流场（局部梯度设计的回转蛇形流场结构）的初始化流场模型，流场结构包括液流电池流场板，液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述回转蛇形流道具有第一端和第二端；所述回转蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述回转蛇形流道的截面面积在两个特定的流道连接处有突增或突减；各所述流道依次交替设置且首尾相接。具体来说，如图6所示，从进液口101（第一端）的流道1流到流道2，从流道2流到流道3，流道3流到流道4, 流道4流到流道5，流道5流到流道6，流道6流到流道7，流道7流到流道8，流道8流到流道9，流道9流到流道10，流道10流到流道11，流道11流到流道12，流道12流到流道13，流道13流到流道14，流道14流到流道15，流道15流到流道16，流道16流到流道17，流道17流到流道18，流道18流到流道19，最后从流道19流到排液口102（第二端）。进液口101与排液口102通过一条回转蛇形流道（宽度2mm）连接,其中，流道1、流道2、流道3、流道7、流道8、流道9、流道10、流道11、流道15、流道16、流道17、流道17、流道18、流道19的深度为2mm, 流道4、流道5、流道6、流道12、流道13、流道14的深度为1mm。所述的排液口102收集进液口101以及多孔电极中流出的液体。
本实施例中，以入口流动方向与出口流动方向之间直线距离为20 mm的回转蛇形流场为例，在0.1 MPa、20 ℃的情况下，根据上述优化设计方法，将流道4、流道5、流道6和流道12、流道13、流道14的深度进行优化，基于回转蛇形流场通过自主优化得到优化的蛇形流场。需要注意的是，局部梯度的出现总是出现在连接两相邻流道上的转折区域，具体来说，以本发明实施例一为例，是在图6中流道4、流道5、流道6和流道12、流道13、流道14这几处的流道设置一个深度的突变，如图24所示为该流道的俯视图，其中白色流道部分表示流道深度为2mm，深色流道部分表示流道深度为1mm，在流道3与流道4的连接处设置有1mm的深度突降（流道3的深度为2mm，流道4的深度为1mm）；在流道6与流道7的连接处设置有1mm的深度突增（流道6的深度为1mm，流道7的深度为2mm）；在流道11与流道12的连接处设置有1mm的深度突降（流道11的深度为2mm，流道12的深度为1mm）；在流道14与流道15的连接处设置有1mm的深度突增（流道14的深度为1mm，流道15的深度为2mm）。
对于实施例一，所述死区区域对应流道的局部流道深度优化，优选采用统一的深度降。一方面，传质死区（死区区域）的形成与相邻流道的压力差较小有关，以统一的压力降变化可以实现整体性的优化，对于非传质死区（非死区区域）的影响较小。另一方面，传质死区处流场的统一深度降在流道与流道交界处体现为深度突变，则在实现死区补偿效果的前提下，几何结构也尽可能的简单，有利于批量加工和工业化生产。
图7为本发明实施例一中一种局部梯度设计的回转蛇形流道压降的示意图；图8为本发明实施例一中一种局部梯度设计的回转蛇形流道组装到液流电池上的全电池示意图，液流电池包括正极电极910和负极电极920，正极电极910和负极电极920之间设置有隔膜90，正极电极910上设置有正极流场91，负极电极920设置有负极流场92。
所述的流场板与多孔电极紧密接触。在流场板98与多孔电极99中的流动方式如图9所示。其中箭头A为在泵驱动下的流道中的强制对流方向，箭头B为多孔电极向流道中的扩散传输方向，箭头C 为多孔电极中的脊下对流传输方向。液流电池中，脊下对流是多孔电极中的主要流动方式，快慢决定了整个电极中的活性物质传输能力乃至电池的性能，因此提升脊下对流传输对液流电池的性能至关重要。
图10为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速为12 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，流场内电解质速度分布（a-c）示意图。其中白色点线区域分别表示回转蛇形流场中的低浓度区域和优化蛇形流场中的传质增强区域。
图11为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速为12 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的流场内电解质反应物浓度（d-f）示意图。其中白色点线区域分别表示回转蛇形流场中的低浓度区域和优化蛇形流场中的传质增强区域；
将该流道装配到液流电池中后和回转蛇形流道以及传统蛇形流道进行了性能对比，得到的电池性能图如图12-图23所示。图12为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速分别为12 mL·min-1·cm-2、9 mL·min-1·cm-2、6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的流场内平均反应物浓度的示意图。
图13为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速分别为12 mL·min-1·cm-2、9 mL·min-1·cm-2、6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的多孔电极内的分布均匀性系数的示意图。
图14为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速分别为12 mL·min-1·cm-2、9 mL·min-1·cm-2、6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的流场入口和出口之间压降的示意图；
图15为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为12 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线示意图；
图16为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为9 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线示意图；
图17为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场，通过多物理场仿真得到的极化曲线的示意图；
图18为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为100 mA·cm-2、流速分别为6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；
图19为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为200 mA·cm-2、流速分别为6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；
图20为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在电流密度为300 mA·cm-2、流速分别为6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上，通过实验得到的电池充放电曲线示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；
图21为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为6 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上并进行300次循环，通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；
图22为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为9 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上并进行300次循环，通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；
图23为本发明实施例一中一种优化蛇形流场在流速为12 mL·min-1·cm-2的条件下对比于传统蛇形流场以及回转蛇形流场分别组装到液流电池上并进行300次循环，通过实验得到的电池能量效率与电流密度的关系示意图，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现；图24为本发明实施例一中一种优化后蛇形流场结构的俯视图。
如图12所示。本实施例中流道内的平均反应物浓度分别为720、689和634 mol·m-3，比回转蛇形流场高7%、9%和12%，比传统蛇形流场高13 %、19 %和31 %。如图13所示，在流速为12 mL·min-1·cm-2、9 mL·min-1·cm-2、6 mL·min-1·cm-2时，优化蛇形流场组装的电池均匀性最高（0.865、0.843和0.806），分别比回转蛇形流场高4.8 %、5.1 %和6.6 %。如图20所示，在200 mA·cm-2时，本实施例的流道保持了较高的容量（放电559 mAh，充电588mAh），显著高于回转蛇形流场（放电399 mAh，充电438 mAh）和传统蛇形流场（放电231 mAh，充电274 mAh）。如图21所示，对于6 mL·min-1·cm-2，本实施例流道在80%能量效率下的最大电流密度为175 mA·cm-2，显著高于回转蛇形流场（132 mA·cm-2）和传统蛇形流场（140mA·cm-2），如图22所示。在9 mL·min-1·cm-2流量下，本实施例中，流道在80%能量效率下的最大电流密度达到205 mA·cm-2，比回转蛇形流场和传统蛇形流场分别高23.5 %和35.8 %。
图35为本发明实施例一的优化蛇形流场对比于传统蛇形流场，装配到液流电池上，通过实验得到的在200 mA·cm-2、200个充放电循环内的库伦效率、能量效率和电压效率变化，其中各种流场在石墨板上加工，以商用石墨毡作为电极，以商用质子交换膜作为隔膜，以商用钒-硫酸溶液作为电解液，电解液的循环通过商用蠕动泵实现。
实施例二：
初始化设计步骤中，对液流电池流场进行初始化设计，得到一种液流电池流场（局部梯度设计的回转蛇形流场结构）的初始化流场模型，与实施例一的初始条件相同，流场结构包括液流电池流场板，液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述回转蛇形流道具有第一端和第二端；所述回转蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述回转蛇形流道的截面面积在两个特定的流道连接处有突增或突减；各所述流道依次交替设置且首尾相接。如图25所示，本实施例以入口流动方向与出口流动方向之间直线距离为20 mm的回转蛇形流场为例，各流道的宽度为2mm，流道1、流道2、流道3、流道4、流道5、流道6、流道7的深度为2mm，流道7、流道8、流道9、流道10的深度为1mm，流道11、流道12、流道13、流道14、流道15的深度为2mm，流道16、流道17、流道18的深度为1mm，流道19的深度为2mm。在0.1MPa、20 ℃的情况下，对正极流场和负极流场进行相同改进：如图26所示的流道俯视图，其中白色流道部分表示流道深度为2 mm，深色流道部分表示流道深度为1 mm，在流道7与流道8的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道10与流道11的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道15与流道16的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道18与流道19的连接处设置有1 mm的深度突增。
实施例三：
初始化设计步骤中，对液流电池流场进行初始化设计，得到一种液流电池流场（局部梯度设计的回转蛇形流场结构）的初始化流场模型，与实施例一的初始条件相同，流场结构包括液流电池流场板，液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述回转蛇形流道具有第一端和第二端；所述回转蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述回转蛇形流道的截面面积在两个特定的流道连接处有突增或突减；各所述流道依次交替设置且首尾相接。如图27所示，本实施例以入口流动方向与出口流动方向之间直线距离为20 mm的回转蛇形流场为例，在0.1 MPa、20 ℃的情况下，对正极流场和负极流场进行相同改进：如图28所示，各流道宽度为2mm,其中白色流道部分表示流道深度为2 mm，深色流道部分表示流道深度为1 mm，在流道5与流道6的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道8与流道9的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道15与流道16的连接处设置有1mm的深度突降；在流道18与流道19的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道19与流道20的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道20与流道21的连接处设置有1 mm的深度突增。
实施例四：
初始化设计步骤中，对液流电池流场进行初始化设计，得到一种液流电池流场（局部梯度设计的回转蛇形流场结构）的初始化流场模型，与实施例一的初始条件相同，流场结构包括液流电池流场板，液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述回转蛇形流道具有第一端和第二端；所述回转蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述回转蛇形流道的截面面积在两个特定的流道连接处有突增或突减；各所述流道依次交替设置且首尾相接。如图29所示，本实施例以入口流动方向与出口流动方向之间直线距离为20 mm的回转蛇形流场为例，在0.1 MPa、20 ℃的情况下，对正极流场和负极流场进行相同改进：如图30所示的流道俯视图，各流道宽度为2mm,其中白色流道部分表示流道深度为2 mm，深色流道部分表示流道深度为1 mm，在流道5与流道6的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道8与流道9的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道13与流道14的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道16与流道17的连接处设置有1 mm的深度突增。
实施例五：
初始化设计步骤中，对液流电池流场进行初始化设计，得到一种液流电池流场（局部梯度设计的回转蛇形流场结构）的初始化流场模型，与实施例一的初始条件相同，流场结构包括液流电池流场板，液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述回转蛇形流道具有第一端和第二端；所述回转蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述回转蛇形流道的截面面积在两个特定的流道连接处有突增或突减；各所述流道依次交替设置且首尾相接。如图31所示，本实施例以入口流动方向与出口流动方向之间直线距离为20 mm的回转蛇形流场为例，在0.1 MPa、20 ℃的情况下，对正极流场和负极流场进行相同改进：如图32所示的流道俯视图，各流道宽度为2mm,其中白色流道部分表示流道深度为2 mm，深色流道部分表示流道深度为1 mm，在流道3与流道4的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道5与流道6的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道8与流道9的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道11与流道12的连接处设置有1 mm的深度突增；在流道18与流道19的连接处设置有1 mm的深度突降；在流道19与流道20的连接处设置有1 mm的深度突增。
将以上五个实施例分别与回转蛇形流道（优化前的传统回转蛇形流道）进行对比得到的性能图如图32、图33所示，可以看到，本发明的所述的一种局部梯度设计的回转蛇形流场结构相较于无梯度设计的回转蛇形流场结构对电池性能有较大改善，且可行性高、利于推广使用。
本发明提供的实施例一至五，呈现了液流电池流场设计死区补偿效果，实现了液流电池能量效率和电解液利用率的提升，同时也为液流电池相关领域中强化传质机理提供了理论指导。具体地，本发明阐明了流场中的活性物质传质死区通常出现在低压力差的相邻流道区域。由于多孔介质中的电解液流动符合达西定律，即流速与压力差成正比。因此，压力差较低的相邻流道之间的肋下区域，对流速率较低且活性物质浓度较低。根据能斯特-普朗克方程，增强电解液流速可以增加活性物质的通量，改变相应区域的活性物质浓度。根据能斯特方程，活性物质的浓度直接影响浓差极化的大小，从而改变充放电电压，影响电压效率和能量效率。为了在活性物质死区实现强化传质，提供了一种简洁高效的改进设计方案，即通过多物理场仿真模型评估传质死区流道深度降变化对于提升活性物质浓度的优化效果，最后实现流场设计的优化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

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：
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；
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；
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；
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。
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：
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。
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：
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。
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：
将所述临界阈值设定为所述全域活性物质平均浓度的50%。
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：
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。
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。
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