瞿 娟

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南通分院，江蘇 南通 226011）

隨著社會的不斷發(fā)展，對能源的需求與依賴也隨之增大。面對當(dāng)前這種形式，人們除了采用傳統(tǒng)的火力發(fā)電以外，逐漸開始利用水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源發(fā)電。清潔能源往往通過自然界存在的能量進行發(fā)電，因而其發(fā)電具有隨機性和間歇性，從而影響電壓與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。儲能電池可作為介質(zhì)來維持電網(wǎng)與清潔能源之間的穩(wěn)定。

全釩液流電池作為常見的儲能電池之一，是一種新型儲能電池，也是目前最具有商業(yè)化應(yīng)用潛力的儲能電池技術(shù)之一。全釩液流電池的使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計靈活且儲能量大，具有深度放電性，后期維護費用低，熱管理高效方便。既可以作為水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源的儲能設(shè)備，又能夠用于電網(wǎng)的平抑負荷，從而確保電網(wǎng)有序工作。全釩液流儲能電池也因此極適合作為大規(guī)模的儲能設(shè)備。

電解液、雙極板、交換膜和石墨氈是全釩液流電池的關(guān)鍵組成材料，其直接影響全釩液流電池的性能與成本，這些材料也因此成為全釩液流電池的研究熱點。全釩液流電池結(jié)構(gòu)中的流場結(jié)構(gòu)是影響全釩液流電池性能的另一重要因素。電解液在石墨氈中如何分布就是由流場結(jié)構(gòu)決定的，流場結(jié)構(gòu)直接影響電解液的傳質(zhì)快慢、電流密度疏密等關(guān)鍵問題。電流密度分布不均不僅會降低液流電池的儲能性能，也易造成重要材料的腐蝕，從而縮短全釩液流電池的使用壽命。鑒于上述原因，越來越多的研究者開始重視全釩液流電池的流場結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著科技的不斷發(fā)展，建模成為研究過程中一個重要的研究方法。通過建模能夠分析出實驗時無法準(zhǔn)確測量的重要參數(shù)，從而更加靈活地調(diào)整方案，進行參數(shù)上的詳細優(yōu)化，進而能夠預(yù)測出各種情況下能發(fā)揮的電池性能，最終對全釩液流電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。不僅對實驗研究作出補充，還減少了大量實驗所需時間成本。

本文建立了全釩液流儲能電池的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型進行模擬，通過模擬電解液在石墨氈內(nèi)速度快慢或壓力大小不同的情況，進行流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而使電解液在石墨氈內(nèi)分布更加穩(wěn)定均勻，同時分析不同情況下電解液在石墨氈內(nèi)分配的均勻性是否一致。

本文所采用的流場結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一個是由多孔石墨氈所組成的電極；一個是進出口流道。全釩液流電池的電解液從入口進入，在經(jīng)過入口與分配流道以后，到達電解液的四個分配入口，并從此進入電極區(qū)進行化學(xué)反應(yīng)，最終通過出口的四個分配口，并通過出口主流道流出完成。體方程形式如下所示：?·=(ρu)=0，?·(ρu)=?·ρ+?·(u?·u)+S。通過計算可以看出，在整個區(qū)域中，電極的速度快慢分布均勻，速度起伏劇烈主要在流道中，特別在流道內(nèi)和流道口。電極中的大部分范圍速度快慢比較均勻，電解液的流速在電極右邊稍快于左邊，原因是電解液從主流道向分配道流動時存在慣性，慣性向右，從而致使向右的流速略快于向左的流速。低速區(qū)主要集中在分配口電極和隔板兩側(cè)，原因是這些地方與出口平行并且與流動垂直，所以速度比較慢，成為低速區(qū)。但是伴隨著電解液逐漸流入到電極內(nèi)部，電解液通過石墨氈逐漸分布均勻，低速區(qū)便隨之消失。由于電解液在經(jīng)過低速區(qū)時補充不夠及時，傳輸情況不佳，導(dǎo)致電位的濃差過大，致使重要材料發(fā)生腐蝕，從而使全釩液流電池的性能變差。所以要提高全釩液流電池的性能并增長其使用壽命，最重要是要減小電解液流過低速區(qū)的面積，使電解液在電極中更加均勻且穩(wěn)定。

通過上述分析，可以看出優(yōu)化全釩液流電池的流場結(jié)構(gòu)需從三方面考慮：一是減小電解液流經(jīng)過程中的低速區(qū)面積；其次使電解液在電極中分布更加均勻；最后是減少流場中的壓力損失。可以通過增加分配口的個數(shù)，減小兩個相鄰分配口中間的低速區(qū)面積并隨之減小其中的壓力損失。通過模擬結(jié)果可以看出，同優(yōu)化之前相比，新增的分配口使電解液在優(yōu)化前的低速區(qū)速度明顯減小，從而有效減少了低速區(qū)的面積；其他部分的低速區(qū)面積變化不大，原因是電解液在該部分的流量不大。所以只增加分配口效果不夠顯著；增加分配口不僅使低速區(qū)面積變小，還能使流通面積變大，從而減小壓力的損失。由此可以看出，優(yōu)化后全釩液流電池的流場結(jié)構(gòu)確實對電解液在電極中的分配均勻起了很大作用。

影響電解液是否分布均勻的一個重要參數(shù)是流道的寬度，通過模擬將流道設(shè)置成不同的寬度，用于研究在流道不同寬度的條件下，電極中電解液分布的均勻性、低速區(qū)面積的不同與壓力損失的大小。通過計算能夠看出，隨著流道寬度不斷變寬，電極同相鄰分配口區(qū)域的流速不斷變快，致使該區(qū)域的低速區(qū)面積變小。原因是流道的寬度變寬，導(dǎo)致分配口的流量發(fā)生了改變。由此可以得出結(jié)論，在設(shè)計流道時應(yīng)選取一個合適的數(shù)值來分配不同流道的寬度，不僅能使低速區(qū)面積減小，使電池長期保持較高性能，還能節(jié)省后期成本，提高使用壽命。

流量也是電解液在全釩液流儲能電池中運行時極為重要的一個參數(shù)，通過模擬分配到寬度相同時，不同流量對電解液在電極中的分布是否均勻、低速區(qū)面積大小和壓力損失多少的影響。通過模擬來看，當(dāng)流量明顯提高時，電解液在電極中的流速也隨之提高，將使低速區(qū)消失；同時流量的增加也加大了壓力損失，由流量為60 mL/min 的853 Pa增加到120 mL/min 的1770 Pa。由此可以看出，當(dāng)流場結(jié)構(gòu)相同時，增加電解液的流量能夠減小電極中的低速區(qū)面積，當(dāng)局部電解液不足時可以采用這個方法得到有效緩解。但也會因此導(dǎo)致內(nèi)部壓力的損失大幅上升，從而造成以下影響：一方面對電池的密封要更加嚴(yán)格，也會因此導(dǎo)致全釩液流儲能電池壽面縮短；另一方面全釩液流儲能電池會明顯增加自身功耗，致使全釩液流儲能電池的系統(tǒng)效率變低。所以在選擇流量的多少時，要盡量從多方面多角度的綜合考慮，在不同情況下獲取流量的最優(yōu)值。

通過本次數(shù)學(xué)模型的研究可以得出以下結(jié)論：（1）通過現(xiàn)有的計算機技術(shù)建立了全釩液流電池的數(shù)學(xué)模型，通過該模型模擬并揭示了不同情況下電解液在石墨氈電極中的不同規(guī)律；（2）通過改變分配口數(shù)量得出的結(jié)論，分配口越多，電解液在電極中的流速越快，從而可有效減小低速區(qū)面積。同時隨著低速區(qū)面積的減小，壓力損失也隨之降低。通過延長內(nèi)部主流道的豎直長度能夠減弱慣性作用，從而使電解液在分配的時候更加均勻且高效；（3）通過增加一定參數(shù)能夠減少電解液低速區(qū)的面積，該參數(shù)有臨界值，當(dāng)比臨界值大時，低速區(qū)面積的減小速度較慢且減少范圍小，參數(shù)的增加導(dǎo)致壓力損失變小，提高了電解液在電極中分配的均勻性。（4）在結(jié)構(gòu)特定不變的情況下，加大電解液的流量可以減小電極內(nèi)的低速區(qū)面積，但是由于流量的增大，導(dǎo)致了內(nèi)部壓力損失的快速增加，這會導(dǎo)致全釩液流電池的使用壽命下降，并且電池效率也會隨之變低，在選擇流量時，應(yīng)該從多方面多角度進行綜合考慮，在不同情況下選取對全釩液流儲能電池穩(wěn)定發(fā)揮的最優(yōu)值。

伴隨著日益嚴(yán)峻的環(huán)境危機和更高的環(huán)保要求，傳統(tǒng)能源逐漸式微，清潔能源的地位越來越重要，全釩液流電池作為清潔能源與電網(wǎng)之間最良好的介質(zhì)，同時也是最具有商業(yè)運用潛力的儲能電池技術(shù)之一，未來發(fā)展空間廣闊。全釩液流電池具有使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計靈活、儲能量大且后期維護成本低、對環(huán)境適應(yīng)能力強等特點。隨著科技的發(fā)展，作用也越來越廣闊，適用領(lǐng)域包括但不限于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、電動汽車電源、軍用蓄電、航空航天等方面。本文在全釩液流電池方面做了相關(guān)研究，對未來全釩液流電池的發(fā)展具有借鑒意義。