유량 배터리의 내부 흐름에 영향을 미치는 주요 요인

1 유동장의 설계 및 최적화

내부 흐름을 개선하기위한 열쇠 중 하나유량 배터리흐름 채널의 설계 및 최적화이며, 많은 수의 근로자들이 이에 대한 심층적 인 연구를 수행했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 일부 전통적인 유량 필드 설계는 평행, 뱀, 다중 서 펜타 인 및 자극적입니다. 다공성 전극과바이폴라 플레이트, 전해질은 다공성 전극에 합리적으로 분포되어 농도 손실을 감소시키고의 효율을 향상시킵니다.유량 배터리.

그림 1 다양한 흐름 필드의 설계

1.1 전통적인 유동장의 설계

전통적인 흐름 필드의 설계 및 최적화에 대한 연구는 매우 광범위하며 실험 방법은 종종 유량 필드 설계의 품질을 평가하기 위해 배터리 효율 및 전압 강하와 같은 성능 지표를 얻는 데 사용됩니다. 동시에, 수치 컴퓨팅 시뮬레이션의 개발과 함께 연구자들은 시뮬레이션 연구를 사용하여 유동장 내부에서 다양한 물리적 수량의 분포를 얻습니다.

Maurya는 유동장 설계가 모두의 성능에 미치는 영향을보고했습니다.바나듐 산화 환원 흐름 배터리다공성 흑연으로 전극이 느껴지고 유동장, 뱀 및 자극 된 유동장의 3 가지 유동장 설계를 연구했습니다.

결과는 중간 유동 유동장이 낮은 전류 밀도 및 낮은 유속에서 더 나은 성능을 나타내는 반면, 유량이없는 구조는 높은 전류 밀도 및 높은 유량에서 더 잘 수행한다는 것을 보여준다. 동일한 유량 설계 하에서, 간다 지정 유동장은 가장 낮은 압력 강하 및 펌핑 손실을 나타냅니다. 이는 다른 유동장 설계에서 현재 밀도 및 유량이 증가함에 따라 전해질 분포가 고르지 않으며 순서는 다음과 같습니다. 또한, 혈청 및 간질 전극과 비교하여, 유동장 구조가없는 다공성 전극은 더 나은 질량 전달 효과를 달성하기 위해 더 높은 유량을 필요로한다.

Zhang은 모든의 유동장 설계를위한 2 차원 모델을보고했습니다.바나듐 산화 환원 흐름 배터리. 확립 된 모델은 압력 강하, 바나듐 이온 분포 균일 성 및 전기 화학적 동역학과 같은 실험 결과를 중간 유동 유동장 및 뱀 유동장에서 비교하여 검증되었다. 이 연구는 중간 유동 유동장 설계가 전기 화학 반응 및 바나듐 전해질의 압력 강하 및 균일 성이 낮다는 것을 발견했다. 또한, 410cm²의 면적이있는 스택에서 다양한 유동장 설계 (예 : Interdigital 및 일련의 병렬 뱀 유량 필드 설계)에 대한 수치 연구가 수행되어 개발 된 유동장 설계가 모든 바나듐 액체 흐름에서 최상의 성능을 가지고 있음을 입증했습니다. 스택의 적합성. 병렬 뱀 유량장의 수가 증가함에 따라 펌프 전력 손실은 감소하지만 전해질 분포는 고르지 않습니다.

XU는 모든 것의 성능을 분석하고 비교했습니다.바나듐 산화 환원 흐름 배터리유동장과 뱀 유량 필드가 없습니다. 이 연구는 유량 필드가있는 배터리가 전해질 유량이 더 높을 때 성능이 향상되었음을 발견했습니다. 전해질의 대류가 더 높아지고 평면 방향에서 전해질의 유량 분포가 향상 되었기 때문입니다. 2.5ml · s-¹의 최적 유량에서, 모든 것의 최고의 효율.바나듐 산화 환원 흐름 배터리펌프 전력 손실에 기초한 유량 채널 구조가 없으면 80.9%입니다. 1.2ml · s-¹의 최적 유속에서 펌프 전력 손실을 기반으로 뱀 유량 채널을 갖춘 모든 바나듐 흐름 배터리의 최상의 효율은 80.7%입니다.

결과는 더 작은 유속에서의 유동장 증가가 전달 된 다공성 전극에서 전해질의 균일 한 분포를 초래함으로써 배터리의 효율을 향상 시킨다는 것을 보여준다. 그러나 전해질 유량이 높을수록 전극을 가로 질러 펌핑 전력 및 압력 강하가 증가하여 모든 것의 전체 효율에 영향을 미칩니다.바나듐 흐름 배터리에너지 저장 시스템. 동시에, 유량 배터리 내부의 큰 압력 강하는 밀봉 링의 고장을 일으키는 주요 문제로 배터리 내부 또는 외부 누출을 유발합니다.

1.2 유동장 도출의 설계

유동장 연구가 심화되면서, 많은 양의 연구는 양극판 측면에 설계된 전통적인 유동장에 국한되지 않고 특수 모양의 다공성 전극의 협력을 통해 전반적인 배터리 성능을 향상시킵니다.양극판. 동시에 일부 연구자들은 토폴로지 최적화 이론을 사용하여 흐름 필드를 설계합니다.

Arjun은 플로우 채널을 갖는 4 가지 유형의 다공성 전극을 연구했다 : 개방형 병렬 유동장, 개방형 채널 인터 디지털 유동장, 언더 채널 평행 유량 필드 및 언더 채널 개간 유동장. 유량 채널이없는 전통적인 전극과 비교합니다. 연구에 따르면 개방 된 개방형 채널 유동장은 유량 분포가 개선되고 펌핑 전력 감소로 인해 전체 세포 에너지 효율이 2.7% 증가합니다.

Chen은 전부에서 유동장의 자유 형태를 생성하기위한 토폴로지 최적화 방법을 제안했습니다.바나듐 흐름 배터리. 주로 반응 속도 동역학을 고려하여 배터리는 토폴로지 최적화되었습니다. 과도한 및 최대 전류 밀도는 기준 지표로 사용되었으며 기준 흐름 필드 (평행 및 간 지정 유량 필드)와 비교되었습니다. 토폴로지 최적화는 최적의 흐름 필드를 자동으로 생성하는 중요한 방법입니다. 결과는 디지털 유형이 모든 Vanadium Redox Flow 배터리를위한 최고의 유동장 설계임을 보여줍니다. 토폴로지 최적화에 의해 얻은 최적의 유동장은 규칙적이고 처리하기가 어렵 기 때문에 컴퓨터 및 제조 산업의 개발 덕분에 향후 광범위한 응용 프로그램 전망을 갖게 될 것입니다.

Sun은 새로운 3 차원 분리 된 뱀 유동장을 제안했습니다. 유동장은 각각 바이폴라 플레이트와 전극 (멤브레인 측 근처)에 두 개의 비틀 거리는 뱀 채널을 적용합니다. 분리 된 유입 및 유출 채널은 전극 평면 방향 및 두께 방향에서 전해질의 대류 질량 전달을 향상시켜 질량 전달을 향상시켜 전해질이 전극으로 완전히 침투하고 압력 손실을 감소시킬 수 있습니다.

전류 밀도가 100ma · cm-²이고 유량이 20ml · min-¹ 인 경우, 간다 유동 유동장과 비교하여, 분리 된 유동장의 포괄적 인 효과는 모든 Vanadium 산화 환원 흐름 배터리의 전압과 펌프 손실에 기초한 에너지가 각각 약 4.2% 및 3.2% 증가하게 만듭니다. 실험 결과는 또한이 유동장 설계의 성능이 전통적인 interdigitated and serpentine 흐름 필드보다 탄소 펠트 압축 및 전해질 유량에 더 민감하다는 것을 보여준다. 이것은 분리 된 뱀 유동장을 사용하여 전극의 평면 방향에서의 상당한 압력 구배 때문일 수 있습니다.

1.3 유동장 최적화 연구

흐름 필드에 대한 연구는 매우 포괄적이지만 대부분의 연구는 유동장의 설계에 중점을두고 근본 원인을 제공하지 않고 중요한 평가 지표 (배터리 효율, 전압 강하 등)를 통해 유동장의 영향을 배터리 성능에 반영합니다.

Wang은 일반적으로 사용되는 뱀인 렌즈 인 및 개간 유량 채널에 대한 시뮬레이션 및 실험의 조합을 통해 질량 전달 및 배터리 성능에 대한 특정 유량 및 유동장 크기의 영향을 체계적으로 연구했으며,이 두 흐름 필드가 다른 작업 조건에서 다른 또는 반대 결론에 도달하는 이유를 밝혀 냈습니다.

결과는 동일한 특이 적 유속 하에서, 뱀 유량 채널 전극에서 전해질의 유량이 간 지정된 유량 채널보다 훨씬 크기 때문에, 뱀 유량 채널의 성능은 낮은 유량에서 interdigitated flow 채널에서보다 훨씬 우수하다는 것을 보여준다. 특정 유량을 증가 시키거나 유동장의 크기를 증가시켜 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다. interdigitated flow 채널의 임계 유량이 뱀 유량 채널에서보다 크기 때문에, 간다 유동화 유량 채널의 성능 개선은 뱀 유량 채널의 성능 개선보다 상당히 크며, 이는 디지털화 흐름 채널과 뱀 유량 채널 사이의 성능 차이를 초래하고 특정 유량 속도 및 유량 필드 크기 증가로서 점차적으로 절제되고 심지어 역 성능이 증가합니다. 이 작업은 유동장 구조 최적화 및 유량 배터리의 질량 전달 공정에 대한 이해를 심화시키고 전기 밀도가 높은 유량 배터리의 유량 필드 설계에 대한 참조를 제공합니다.

표 1에 도시 된 바와 같이,이 논문은 다른 유동장 설계의 장점과 단점을 요약한다.