支流道对锌镍单液流电池流场均匀性的影响

王育才,姚寿广*,肖 民,宋印东,程 杰

(1.江苏科技大学 能源与动力工程学院,镇江 212003) (2.张家港智电芳华蓄电研究所有限公司,张家港 215600)

基于电池机理,液流电池可分为双液流电池和单液流电池．双液流电池在使用过程中存在离子交叉污染的问题．为解决此问题,文献[1]中首次提出单液流沉积型的液流电池体系——单液流铅酸电池,并作出一系列相关研究．由于采用了单液流型结构,不存在离子交叉污染的问题,很大程度上简化了电池的结构设计．根据单液流铅酸电池的特点以及传统锌镍电池的优缺点,文献[2]中提出了一种新型氧化还原电池——锌镍单液流电池,作为一种新型储能电池,目前国内外对其的研究主要集中在电化学特性上．对于液流储能电池,内部流场的分布均匀性直接影响到电池本身的性能,所以对液流电池流场的研究显得尤为重要．文中主要参照全钒液流电池流场的优化工作来进行研究,如文献[3]中通过在传统平直并联流道基础上增加倾斜挡板和入口流堰,改进流道结构,提高了全钒液流电池双极板流道电解液分布均匀性．文献[4]中设计了3种不同流场结构,研究平行流场、改进平行流场和蛇形流场结构对全钒液流电池性能的影响．文献[5]中也分析了不同流场结构对全钒液流电池性能的影响．文献[6]中通过改善蛇形流道内的交叉流来优化燃料电池流场．

而关于电池内部参数的优化,文献[7]中研究了全钒液流电池管道内流场,比较了不同支管管径对电解液流量分配的影响．文献[8]中通过增加分配口个数和延长竖直主流道的长度来提高电解液分配均匀性,并研究了分配流道宽度和流量对电解液分配均匀性的影响．文献[9]中研究了不同几何参数和运行参数,如流道高度和长度等对流动均匀性的影响．文献[10]中对大尺寸固体燃料电池几何参数进行优化,研究了几何特性对流动均匀性的影响．文献[11]中研究了全钒液流电池在考虑流场和忽略流场两种情况下的电池性能,结果表明，在最大功率下,考虑流场要比忽略流场的能量效率高出5%．文中主要参照全钒液流电池的流场优化工作来建立锌镍单液流电池电堆流场的三维分析模型,主要考虑电池反应区域的流场分布,通过模拟电解液在电堆内部的速度分布,分析支流道不同结构参数对电解液在电堆内部分布均匀性的影响,以期为优化流场结构提高电池性能奠定基础．

1 数学模型

文中所建立的锌镍单液流电池电堆流场的三维数学模型,如图1．流场结构主要包括入口流道、出口流道、底部流道以及反应区流道．电解液由入口流道流入,流经底部流道,再由反应区支流道将电解液分配到电极表面参与电化学反应,最后由出口流道流出．计算中所使用的主要参数见表1．

图1 锌镍单液流电池电堆结构示意Fig.1 Structure of zinc-nickel single flow battery stack表1 计算参数Table 1 Calculation parameter

参数数值 支流道宽度/mm5.58 支流道数目20 支流道长度/mm150 入口流速/(m·s-1)0.167 2 电解液密度/(kg·m-3)1 456.1 电解液黏度/(kg·m-1s-1)0.003 139

1.1 简化与假设

在实际的锌镍单液流电池流动过程中,电解液与极板之间发生电化学反应,会有热量产生与传递的现象发生,而热量会对电解液的粘度产生影响;以及在电化学反应过程中锌的溶解与沉淀会对负极容貌产生一个较大的变化,影响极板表面的粗糙度和改变电解液的密度,从而给模拟计算带来不便．为了简化对锌镍单液流电池流场的研究,假设:电解液不与极板发生化学反应,其物理化学性质不变,且不可压；电池内部与外界无热量交换；忽略极板小孔,认为是完整平板;电堆内部壁面粗糙度相等．

1.2 边界条件及控制方程

固定壁面边界:电堆壳体固定壁面边界、极板固定壁面边界;入口边界:电堆入口管道的速度边界;出口边界:电堆出口管道充分发展．

每个流动区域都有质量守恒和动量守恒方程描述,电解液流动状态为层流．具体方程为:

-p+·τ

式中：ρ为电解质密度；p为压强．

2 结果与讨论

基于给定的流场结构模拟的速度矢量分布如图2．从图中可以看出,入口处存在一个较大的速度梯度,反应区流道接近底部流道的区域速度较大.

图2 电堆速度分布矢量图Fig.2 Velocity vector distribution of the stack

为了更好地分析电堆内部电解液速度分布均匀性,分别在x和z方向建立三条观测线,其位置如图1．文中引入不均匀性指数γ,其定义:

式中：最大平均速度为最大速度曲线上,速度点的平均值;最小平均速度为最小速度曲线上,速度点的平均值;平均速度为3条曲线所有速度点的平均值．由定义可知,不均匀性指数越小,流场均匀性越高,电解液分布就更加均匀．

2.1 支流道优化

根据流场模拟分析结果,锌镍单液流电池流场优化主要从两个方面进行:① 减小同一流道内的速度梯度;② 提高电解液在电堆内部的分布均匀性．现定义正负极板间所在区域为支流道．文中采用改变支流道宽度、长度和数目的方式,实现减小同一流道内的速度梯度,同时提高电解液速度分布均匀性．

2.2 支流道宽度的影响

定义正负极板间沿x方向的距离为支流道宽度,其是影响电解液均匀分布的一个重要参数,将支流道的宽度分别设置为4.08，4.58，5.08，5.58，6.08，6.58，7.08 mm, 研究不同的支流道宽度对电堆内电解液速度分布的影响．当支流道宽度由4.08 mm增加到7.08 mm,x方向上所建观测线上的平均速度由0.001 4 m/s降到0.000 79 m/s,z方向上所建观测线上的平均速度由0.001 6 m/s降到0.000 93 m/s．

支流道宽度对不均匀性指数的影响如图3．

图3 支流道宽度对不均匀性指数的影响Fig.3 Effect of channel width on non-uniformity index

随着支流道宽度的增加,x方向上不均匀性指数呈上升趋势,流场不均匀性增大,因为支流道的宽度变化在x方向上发生,故x方向不均匀性指数与支流道宽度呈单调性变化．又因为壁面速度为零,随着支流道宽度增加,x方向速度梯度增加,故x方向不均匀性指数随着支流道宽度的增加而变大．而在z方向上的流动是垂直于支流道宽度的方向,随着支流道宽度的增加,z方向流动阻力先减小后增大,故z方向上的不均匀性指数与支流道宽度的变化呈抛物线型变化,z方向上不均匀性指数先减小后逐渐增大．

2.3 支流道长度的影响

定义正负极板间沿z方向的距离为支流道长度．文中研究不同支流道长度对电解液分布均匀性的影响,当支流道长度从120 mm逐次增加到180 mm时,x方向所建观测线的平均速度由0.001 5 m/s下降到0.000 95 m/s;z方向上所建观测线的平均速度由0.001 8 m/s下降到0.001 2 m/s．

支流道长度对不均匀性指数的影响如图4．随着支流道长度的增加,不均匀性指数在x、z方向上变化都不是很大,其中以x方向变化最小,不均匀性指数变化在0.005范围内．当支流道长度大于160 mm时,z方向不均匀性指数变化基本持平,流场均匀性不再发生变化．

图4 支流道长度对不均匀性指数的影响Fig.4 Effect of channel length on non-uniformity index

2.4 支流道数目的影响

基于支流道宽度为5.08 mm,长度为150 mm优化流场结构,研究支流道数目对给定流场结构下电堆内电解的速度分布的影响．当支流道数目由16增加到28,x方向上所建观测线上的平均速度由0.001 483 m/s降到0.000 857 m/s,z方向上所建观测线上的平均速度由0.001 801 m/s降到0.001 027 m/s．

支流道数目对不均匀性指数的影响如图5．随着支流道数目的增加,不均匀性指数无论在x方向或是z方向上都是先减小在增大．

图5 支流道数目对不均匀性指数的影响Fig.5 Effect of channel number on non-uniformity index

3 结论

(1) 建立的锌镍单液流电池电堆流场三维分析模型能够清晰模拟在给定流场结构下电解液在电堆内部的分布规律．

(2) 在所研究的锌镍单液流电池电堆结构尺寸范围内,支流道宽度、长度和支流道数目变化均能显著影响电解液分布均匀性,其中支流道长度对流场不均匀性影响最小．

(3) 综合支流道宽度、长度和支流道数目对电堆内部流场均匀性的影响变化规律,在文中研究的锌镍单液流电池电堆结构尺寸范围内,支流道宽度、长度和支流道数目最佳匹配分别为4.58 mm、150 mm和22个．