支流道對(duì)鋅鎳單液流電池流場(chǎng)均勻性的影響

王育才,姚壽廣*,肖 民,宋印東,程 杰

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003) (2.張家港智電芳華蓄電研究所有限公司,張家港 215600)

基于電池機(jī)理,液流電池可分為雙液流電池和單液流電池．雙液流電池在使用過程中存在離子交叉污染的問題．為解決此問題,文獻(xiàn)[1]中首次提出單液流沉積型的液流電池體系——單液流鉛酸電池,并作出一系列相關(guān)研究．由于采用了單液流型結(jié)構(gòu),不存在離子交叉污染的問題,很大程度上簡(jiǎn)化了電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．根據(jù)單液流鉛酸電池的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)鋅鎳電池的優(yōu)缺點(diǎn),文獻(xiàn)[2]中提出了一種新型氧化還原電池——鋅鎳單液流電池,作為一種新型儲(chǔ)能電池,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其的研究主要集中在電化學(xué)特性上．對(duì)于液流儲(chǔ)能電池,內(nèi)部流場(chǎng)的分布均勻性直接影響到電池本身的性能,所以對(duì)液流電池流場(chǎng)的研究顯得尤為重要．文中主要參照全釩液流電池流場(chǎng)的優(yōu)化工作來進(jìn)行研究,如文獻(xiàn)[3]中通過在傳統(tǒng)平直并聯(lián)流道基礎(chǔ)上增加傾斜擋板和入口流堰,改進(jìn)流道結(jié)構(gòu),提高了全釩液流電池雙極板流道電解液分布均勻性．文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)了3種不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu),研究平行流場(chǎng)、改進(jìn)平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)全釩液流電池性能的影響．文獻(xiàn)[5]中也分析了不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)全釩液流電池性能的影響．文獻(xiàn)[6]中通過改善蛇形流道內(nèi)的交叉流來優(yōu)化燃料電池流場(chǎng)．

而關(guān)于電池內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化,文獻(xiàn)[7]中研究了全釩液流電池管道內(nèi)流場(chǎng),比較了不同支管管徑對(duì)電解液流量分配的影響．文獻(xiàn)[8]中通過增加分配口個(gè)數(shù)和延長(zhǎng)豎直主流道的長(zhǎng)度來提高電解液分配均勻性,并研究了分配流道寬度和流量對(duì)電解液分配均勻性的影響．文獻(xiàn)[9]中研究了不同幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),如流道高度和長(zhǎng)度等對(duì)流動(dòng)均勻性的影響．文獻(xiàn)[10]中對(duì)大尺寸固體燃料電池幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,研究了幾何特性對(duì)流動(dòng)均勻性的影響．文獻(xiàn)[11]中研究了全釩液流電池在考慮流場(chǎng)和忽略流場(chǎng)兩種情況下的電池性能,結(jié)果表明，在最大功率下,考慮流場(chǎng)要比忽略流場(chǎng)的能量效率高出5%．文中主要參照全釩液流電池的流場(chǎng)優(yōu)化工作來建立鋅鎳單液流電池電堆流場(chǎng)的三維分析模型,主要考慮電池反應(yīng)區(qū)域的流場(chǎng)分布,通過模擬電解液在電堆內(nèi)部的速度分布,分析支流道不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電解液在電堆內(nèi)部分布均勻性的影響,以期為優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)提高電池性能奠定基礎(chǔ)．

1 數(shù)學(xué)模型

文中所建立的鋅鎳單液流電池電堆流場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型,如圖1．流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要包括入口流道、出口流道、底部流道以及反應(yīng)區(qū)流道．電解液由入口流道流入,流經(jīng)底部流道,再由反應(yīng)區(qū)支流道將電解液分配到電極表面參與電化學(xué)反應(yīng),最后由出口流道流出．計(jì)算中所使用的主要參數(shù)見表1．

圖1 鋅鎳單液流電池電堆結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of zinc-nickel single flow battery stack表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameter

參數(shù)數(shù)值 支流道寬度/mm5.58 支流道數(shù)目20 支流道長(zhǎng)度/mm150 入口流速/(m·s-1)0.167 2 電解液密度/(kg·m-3)1 456.1 電解液黏度/(kg·m-1s-1)0.003 139

1.1 簡(jiǎn)化與假設(shè)

在實(shí)際的鋅鎳單液流電池流動(dòng)過程中,電解液與極板之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),會(huì)有熱量產(chǎn)生與傳遞的現(xiàn)象發(fā)生,而熱量會(huì)對(duì)電解液的粘度產(chǎn)生影響;以及在電化學(xué)反應(yīng)過程中鋅的溶解與沉淀會(huì)對(duì)負(fù)極容貌產(chǎn)生一個(gè)較大的變化,影響極板表面的粗糙度和改變電解液的密度,從而給模擬計(jì)算帶來不便．為了簡(jiǎn)化對(duì)鋅鎳單液流電池流場(chǎng)的研究,假設(shè):電解液不與極板發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其物理化學(xué)性質(zhì)不變,且不可壓；電池內(nèi)部與外界無熱量交換；忽略極板小孔,認(rèn)為是完整平板;電堆內(nèi)部壁面粗糙度相等．

1.2 邊界條件及控制方程

固定壁面邊界:電堆殼體固定壁面邊界、極板固定壁面邊界;入口邊界:電堆入口管道的速度邊界;出口邊界:電堆出口管道充分發(fā)展．

每個(gè)流動(dòng)區(qū)域都有質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程描述,電解液流動(dòng)狀態(tài)為層流．具體方程為:

-p+·τ

式中：ρ為電解質(zhì)密度；p為壓強(qiáng)．

2 結(jié)果與討論

基于給定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模擬的速度矢量分布如圖2．從圖中可以看出,入口處存在一個(gè)較大的速度梯度,反應(yīng)區(qū)流道接近底部流道的區(qū)域速度較大.

圖2 電堆速度分布矢量圖Fig.2 Velocity vector distribution of the stack

為了更好地分析電堆內(nèi)部電解液速度分布均勻性,分別在x和z方向建立三條觀測(cè)線,其位置如圖1．文中引入不均勻性指數(shù)γ,其定義:

式中：最大平均速度為最大速度曲線上,速度點(diǎn)的平均值;最小平均速度為最小速度曲線上,速度點(diǎn)的平均值;平均速度為3條曲線所有速度點(diǎn)的平均值．由定義可知,不均勻性指數(shù)越小,流場(chǎng)均勻性越高,電解液分布就更加均勻．

2.1 支流道優(yōu)化

根據(jù)流場(chǎng)模擬分析結(jié)果,鋅鎳單液流電池流場(chǎng)優(yōu)化主要從兩個(gè)方面進(jìn)行:① 減小同一流道內(nèi)的速度梯度;② 提高電解液在電堆內(nèi)部的分布均勻性．現(xiàn)定義正負(fù)極板間所在區(qū)域?yàn)橹Я鞯溃闹胁捎酶淖冎Я鞯缹挾?、長(zhǎng)度和數(shù)目的方式,實(shí)現(xiàn)減小同一流道內(nèi)的速度梯度,同時(shí)提高電解液速度分布均勻性．

2.2 支流道寬度的影響

定義正負(fù)極板間沿x方向的距離為支流道寬度,其是影響電解液均勻分布的一個(gè)重要參數(shù),將支流道的寬度分別設(shè)置為4.08，4.58，5.08，5.58，6.08，6.58，7.08 mm, 研究不同的支流道寬度對(duì)電堆內(nèi)電解液速度分布的影響．當(dāng)支流道寬度由4.08 mm增加到7.08 mm,x方向上所建觀測(cè)線上的平均速度由0.001 4 m/s降到0.000 79 m/s,z方向上所建觀測(cè)線上的平均速度由0.001 6 m/s降到0.000 93 m/s．

支流道寬度對(duì)不均勻性指數(shù)的影響如圖3．

圖3 支流道寬度對(duì)不均勻性指數(shù)的影響Fig.3 Effect of channel width on non-uniformity index

隨著支流道寬度的增加,x方向上不均勻性指數(shù)呈上升趨勢(shì),流場(chǎng)不均勻性增大,因?yàn)橹Я鞯赖膶挾茸兓趚方向上發(fā)生,故x方向不均勻性指數(shù)與支流道寬度呈單調(diào)性變化．又因?yàn)楸诿嫠俣葹榱?隨著支流道寬度增加,x方向速度梯度增加,故x方向不均勻性指數(shù)隨著支流道寬度的增加而變大．而在z方向上的流動(dòng)是垂直于支流道寬度的方向,隨著支流道寬度的增加,z方向流動(dòng)阻力先減小后增大,故z方向上的不均勻性指數(shù)與支流道寬度的變化呈拋物線型變化,z方向上不均勻性指數(shù)先減小后逐漸增大．

2.3 支流道長(zhǎng)度的影響

定義正負(fù)極板間沿z方向的距離為支流道長(zhǎng)度．文中研究不同支流道長(zhǎng)度對(duì)電解液分布均勻性的影響,當(dāng)支流道長(zhǎng)度從120 mm逐次增加到180 mm時(shí),x方向所建觀測(cè)線的平均速度由0.001 5 m/s下降到0.000 95 m/s;z方向上所建觀測(cè)線的平均速度由0.001 8 m/s下降到0.001 2 m/s．

支流道長(zhǎng)度對(duì)不均勻性指數(shù)的影響如圖4．隨著支流道長(zhǎng)度的增加,不均勻性指數(shù)在x、z方向上變化都不是很大,其中以x方向變化最小,不均勻性指數(shù)變化在0.005范圍內(nèi)．當(dāng)支流道長(zhǎng)度大于160 mm時(shí),z方向不均勻性指數(shù)變化基本持平,流場(chǎng)均勻性不再發(fā)生變化．

圖4 支流道長(zhǎng)度對(duì)不均勻性指數(shù)的影響Fig.4 Effect of channel length on non-uniformity index

2.4 支流道數(shù)目的影響

基于支流道寬度為5.08 mm,長(zhǎng)度為150 mm優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu),研究支流道數(shù)目對(duì)給定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)下電堆內(nèi)電解的速度分布的影響．當(dāng)支流道數(shù)目由16增加到28,x方向上所建觀測(cè)線上的平均速度由0.001 483 m/s降到0.000 857 m/s,z方向上所建觀測(cè)線上的平均速度由0.001 801 m/s降到0.001 027 m/s．

支流道數(shù)目對(duì)不均勻性指數(shù)的影響如圖5．隨著支流道數(shù)目的增加,不均勻性指數(shù)無論在x方向或是z方向上都是先減小在增大．

圖5 支流道數(shù)目對(duì)不均勻性指數(shù)的影響Fig.5 Effect of channel number on non-uniformity index

3 結(jié)論

(1) 建立的鋅鎳單液流電池電堆流場(chǎng)三維分析模型能夠清晰模擬在給定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)下電解液在電堆內(nèi)部的分布規(guī)律．

(2) 在所研究的鋅鎳單液流電池電堆結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi),支流道寬度、長(zhǎng)度和支流道數(shù)目變化均能顯著影響電解液分布均勻性,其中支流道長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)不均勻性影響最?。?/p>

(3) 綜合支流道寬度、長(zhǎng)度和支流道數(shù)目對(duì)電堆內(nèi)部流場(chǎng)均勻性的影響變化規(guī)律,在文中研究的鋅鎳單液流電池電堆結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi),支流道寬度、長(zhǎng)度和支流道數(shù)目最佳匹配分別為4.58 mm、150 mm和22個(gè)．