液流電池中碳布對電解液流動影響的試驗及模擬

方長順

(上海電氣(安徽)儲能科技有限公司,安徽省 巢湖市 238000)

0 引言

自工業(yè)革命以來,人類社會活動主要依賴于以煤炭、石油為代表的化石能源,隨之而來的是因二氧化碳過度排放引起的溫室效應和全球變暖。近年來,隨著“碳達峰”“碳中和”的提出,風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源得到了快速發(fā)展[1-2]。但是新能源發(fā)電都普遍面臨著不能對電網(wǎng)進行持續(xù)供電的問題,因此“雙碳”目標的實現(xiàn)對大規(guī)模儲能設施的配備提出了迫切需求[3-5]。

液流電池因其功率單元和容量單元可自由調(diào)配、安全無污染、適中的維護成本和長壽命循環(huán),特別適用于大規(guī)模長時儲能[6]。因此,對于液流電池的研究與討論就有著相當重要的意義。

液流電池中電極一般為惰性材料,不參與化學反應,僅為電解液中的活性物質(zhì)進行電化學反應提供場所。電解液經(jīng)過流道進入電極,最后經(jīng)流道流出,根據(jù)電解液在電極內(nèi)的流動狀態(tài),電極可分為流通性電極和流經(jīng)型電極。以碳氈為代表的流通型電極,孔隙率、滲透率、比表面積大,流動阻力小;以碳布為代表的流經(jīng)型電極則與之相反[7]。

在液流電池中,作為電極的碳布,在雙極板和板框的支撐下,電解液在碳布中流動擴散并發(fā)生電化學反應,從而進行充放電循環(huán)。相對于其他的儲能技術路線,液流電池所用電解液能量密度較低,所需流量大,整堆的流動阻力也大,進而系統(tǒng)集成所需要的泵耗也越大,嚴重影響儲能系統(tǒng)的整體效率[8]。

液流電池堆是由多片單電池串聯(lián)并壓縮固定到一起的,2塊雙極板之間的配合尺寸決定了碳布的壓縮量,不同的壓縮量對應不同的滲透率。碳布壓縮量越大,滲透率越小,電解液的流動阻力越大,供應電解液流動所消耗的泵功也越大。

碳布本身性質(zhì)和壓縮狀態(tài)為影響滲透率的主要因素,決定了單電池在一定流量下的流動狀態(tài)。本文采用試驗與模擬相結合的方法,研究液流電池中碳布壓縮狀態(tài)對電解液流動特性的影響。

1 試驗研究

設計并搭建碳布滲透率測試工裝及測試系統(tǒng),碳布滲透率測試工裝包括蓋板、底板、密封圈、薄板、碳布,如圖1所示。碳布滲透率測試系統(tǒng)包括碳布滲透率測試工裝、儲液罐、循環(huán)泵、壓力表、量筒和計時工具,如圖2所示。

圖1 碳布滲透率測試工裝剖面圖Fig.1 Cross-section view of carbon cloth permeability test tool

圖2 碳布滲透率測試系統(tǒng)Fig.2 Carbon cloth permeability test system

碳布滲透率測試工裝底板內(nèi)凹槽深度為0.5 mm,用來放置碳布和薄板。碳布的原始厚度為0.6 mm,當薄板厚度為0.2 mm時,碳布壓縮后的厚度為0.3 mm;當薄板厚度為0.1 mm時,碳布壓縮后的厚度為0.4 mm;不放置薄板時,碳布壓縮后的厚度為0.5 mm。通過放置薄板的厚度來調(diào)節(jié)碳布滲透率測試工裝內(nèi)待測碳布的壓縮量。

循環(huán)泵將儲液罐中的電解液送入碳布滲透率測試工裝,電解液從工裝任意一端進入,另一端流出。出口端有量筒、計時器,出口流出電極液時開始計時,量筒內(nèi)達到一定體積電解液時停止計時。因此,可設量筒內(nèi)電解液體積為x,計時器時間為t。在時間段t內(nèi),分3次記錄壓力傳感器數(shù)值,并求平均值,設為ΔP。

通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制循環(huán)泵電機頻率,從而改變循環(huán)泵的流量。每組試驗分別測試了電機在35、40、45、50 Hz這4種頻率運行下的滲透率相關數(shù)據(jù)。

假設碳布為均勻多孔介質(zhì),壓降與流速的關系式[9-10]為

式中:Si為第i(x,y,z)方向的動量方程源項;vi為某點沿某方向流速;α為滲透率;C2為慣性阻力系數(shù);μ為動力粘度;v為流速;ρ為電解液密度。

式中Δn為電解液流動方向上的長度。

本文分別測試了厚度為0.6 mm 的碳布被壓縮至0.3、0.4、0.5 mm 這3種狀態(tài)下的壓降和流速。每種壓縮狀態(tài)下均測試4組數(shù)據(jù),根據(jù)試驗結果計算碳布滲透率、粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù),如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)及計算結果Table 1 Test data and calculation results

在試驗中,隨著壓縮量的增大,壓縮剩余量的減小,滲透率在逐漸減小。即在一定流量下,電解液通過碳布的壓降逐漸增大,如圖3所示。這是因為一定厚度的碳布逐漸被壓縮,碳布內(nèi)部的纖維結構變得逐漸密集,孔隙率更小,電解液更難以從內(nèi)部流過。

圖3 試驗中壓降-流速變化趨勢Fig.3 Variation trend of pressure drop-flow velocity in the test

因此,在相同流量下,壓縮量越大,壓降越大,消耗的泵功越大;或者說,消耗相同的泵功,壓縮量越大,所能提供的電解液流量也就越小,傳質(zhì)效率降低,濃差極化增大,這對于液流電池內(nèi)部電解液的流動是十分不利的。另外,壓降越大,電堆在生產(chǎn)過程中對外密封的要求也越高。

2 數(shù)值模擬

泵功損失計算公式為

式中:q為流量;η為泵效率[11]。

因此,在相同泵功損失下盡可能地增大流量而減小壓降成為液流電池內(nèi)部流場設計的重要任務。

主流的方法是在雙極板兩側雕刻流道,碳布位于雙極板兩側,以增加流道的方式來減小電解液在電堆內(nèi)的流動阻力[12-14]。現(xiàn)有技術中,應用最廣的2種流道設計分別是叉指型流場和蛇形流場。然而,YOU 等試驗發(fā)現(xiàn),蛇形流道中電解液只有在較高的流量下消耗較大的泵功率,才會顯示較好的性能[15]。

叉指形流道中電解液進出流道之間互不聯(lián)通,電解液從進液流道溢出,流經(jīng)碳布,再進入出液流道,如此增大了碳布上電解液的強制對流,尤其在較高的電流密度下,叉指形流道的電化學性能更優(yōu)于蛇形流道[16-19]。

因此,本文通過數(shù)值模擬的方法研究了叉指形流場結構中電解液的流動特性,如圖4所示。雙極板長500 mm、寬400 mm,流道截面積為6×6 mm2。

圖4 單電池中雙極板與正負極電極(碳布)Fig.4 Bipolar plate and positive and negative electrodes (carbon cloth)in a single cell

以上文中試驗計算得出的滲透率、粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)為基礎,分析了電堆中流道及碳布的整體流動狀態(tài)。計算模型分為流道和碳布(多孔介質(zhì))2部分,其中碳布的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)取自試驗計算結果。

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

單電池正負極流道和碳布所構成的流體域結構對稱,截取正極流體域如圖5所示。正極流體域中,進出液流道成對稱結構,且尺寸一致,因此截取其中的1個最小單元進行模擬,幾何模型如圖6所示;并對該最小單元流體域劃分網(wǎng)格,如圖7所示。

圖5 單電池正極流體域Fig.5 Anode fluid domain of single cell

圖6 最小單元流體域Fig.6 Minimum unit fluid domain

圖7 最小單元流體域網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing of minimum element fluid domain

2.2 網(wǎng)格無關性驗證

以碳布壓縮后厚度0.5 mm 模型劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量從937 600增加到1 556 875,再增加到2 974 620。設置4組不同流量的邊界條件,其余條件完全一致,壓降ΔP和電極平均流速v的變化率不超過1%,如表2所示。在保證計算精度的情況下節(jié)省計算資源,在后續(xù)計算中選用第1種網(wǎng)格數(shù)量。

表2 網(wǎng)格無關性驗證Table 2 Grid independence verification

2.3 模擬結果

電解液密度為1 400 kg/m3,動力粘度為0.001 3 Pa·s。分別計算了碳布厚度為0.3、0.4和0.5 mm 的模型在不同流量下的壓降和電極平均流速,計算結果如表3所示。

表3 數(shù)值模擬結果Table 3 Numerical simulation results

壓降和電極平均流速隨流量變化趨勢如圖8所示,由圖8可看出,隨著流量增大,計算壓降和平均流速都在逐漸增大。碳布壓縮量相同,流量增大,流速增大,電解液沿程阻力和局部阻力也逐漸增大。壓縮量增大,碳布的內(nèi)部結構發(fā)生變化,孔隙率降低,壓降增大,維持一定流量所消耗的泵功增大。

圖8 壓降和電極平均流速隨流量變化趨勢Fig.8 Variation trend of pressure drop and electrode average flow rate with flow rate

3 結果與討論

雙極板上雕刻的各條進液流道(或出液流道)之間在結構上屬于并列關系,電解液首先完全充滿各條進液流道,然后在壓力作用下從進液流道溢出,流經(jīng)電極,匯聚進入各條出液流道。因此,1條進液流道和2個半條出液流道的流場結構,構成了1個最小的計算單元。單電池整體流場正是由若干個最小計算單元組成,且各計算單元之間為并聯(lián)關系,類似1個并聯(lián)管路系統(tǒng)。根據(jù)流體力學中并聯(lián)管路總壓降等于各支路壓降的基本原理,選取1個單元進行計算,簡易可靠且滿足計算流體動力學計算的經(jīng)濟性。

對電解液在進出液流道和碳布處的流動狀態(tài)進行可視化處理,選取了碳布壓縮剩余量為0.5 mm,不同流量下的壓力云圖和速度云圖進行分析,如圖9所示。其他條件下的模擬結果,流場規(guī)律亦如此。

圖9 0.5 mm 厚碳布在不同流量下的壓力和速度云圖Fig.9 Pressure and velocity nephograms of 0.5 mm thick carbon cloth under different flow rates

從壓力云圖中可看到,電解液在進液流道中的壓力是最大的,出液流道的壓力是最小的,電解液在流道內(nèi)主要受到沿程阻力損失和局部阻力損失,進液流道內(nèi)的電解液溢出流經(jīng)碳布,壓力迅速降低,最終匯入出液流道流出。除去流道的碳布部分,是流場中壓力梯度最大的區(qū)域,該部分電解液主要受到碳布作為多孔介質(zhì)所帶來的流動阻力。

從速度云圖中可看到,進出液流道是電解液流速最小的區(qū)域。進液流道處的碳布下表面首先與電解液接觸,進而流道處的碳布處于一種浸泡的狀態(tài),進一步電解液從該處碳布兩側分別向出液流道流動。電解液從出液流道處碳布的兩側流入,壓力和速度急劇減小,并匯聚流出。雙極板正負極流道上下對稱,與流道接觸的碳布基本處于原始厚度狀態(tài),而其余部分碳布處于特定壓縮狀態(tài),通流截面積最小,因此流量一定時,該區(qū)域碳布速度最大。

電解液在電堆內(nèi)部流動過程中,流道和流道末尾處的速度最小,與碳布其他區(qū)域形成相對死區(qū),該處電解液較其他區(qū)域傳質(zhì)效率較低,電流密度較小,電壓分布不均,影響單電池以及電堆性能的一致性。因此,適當減小流道的數(shù)量和尺寸有利于電解液在碳布上的均勻分布,減小電解液流動死區(qū)。

4 結論

(1) 設計并搭建了液流電池用電極滲透率測試平臺,試驗了碳布在不同壓縮狀態(tài)和不同流量下的流動狀態(tài),并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算了碳布相關數(shù)值。該測試方案和計算方法不僅適用于碳布,同時也適用于液流電池用其他類型的電極。

(2) 液流電池內(nèi)部電解液流動阻力主要來源于壓縮狀態(tài)下的碳布。隨著碳布壓縮量增大,電解液維持一定流量的流動阻力增大,并且在后期流動阻力呈現(xiàn)急劇上升的趨勢。因此,液流電池在整體設計中應考慮,在保證電化學性能的同時,盡可能地減小電極壓縮量,進而降低泵功損失,提高儲能系統(tǒng)效率。

(3) 通過試驗計算出特定壓縮狀態(tài)下多孔介質(zhì)的滲透率、粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù),根據(jù)試驗中的計算值并結合數(shù)值模擬,可以對現(xiàn)有的液流電池流場結構的流動阻力和流動狀態(tài)進行初步分析,進而指導并修正設計方案。