基于数值模拟仿真的锌溴电池流道设计评估

赵乾乾，张少华



基于数值模拟仿真的锌溴电池流道设计评估

赵乾乾1，张少华2

（2国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210032）

液流框是锌溴液流电池电堆的核心部件之一，为了对已付诸应用的液流框流道设计进行评估，本文针对流道建立物理模型，以真实电解液物性参数为研究对象，借助数值模拟，进行流体仿真计算（CFD）。文章详细探讨了电解液在流道内的流场分布、出口流量均匀度、流道进出口压差以及不同黏度与进口流量对压降的影响。结果表明：现有的流道设计可实现各出口流量均等，但电解液在扇形坡面设计并未能实现均匀分布，坡面结构有待优化；250 mL/min、0.018 Pa·s工况下的电解液在流道内的压降为22.3 kPa；电解液在流道内的压差与黏度的0.7次方成正比，与流量的1.3次方成正比。

锌溴电池；数值模拟；流道；压差；黏度；流量

随着新能源技术的不断进步，风能和太阳能等新能源发电技术将会在并、离网两个方向上实现大规模发展，最终在总体发电中占据越来越大的比重[l]。但因其固有的波动性和不连续性，会对电网造成冲击，也会对离网型用户的用电造成不利影响，储能系统的引入会在可再生能源接入方面提供重要的技术支撑，同时可实现调频、调压、延缓扩容及应急备用电源等功能，将日益成为智能电网建设的重要组成部分[2]。

锌溴液流电池是一种适用于大规模蓄电储能的新型绿色二次电池。电池的活性物质存在于电解液中而不是在极板上，电池的用料也比较便宜，电池成本低，有利于大规模推广使用。电池的比能量可达到150 W·h/kg，已具备深入开发和应用的可行性。近几十年来，锌溴液流电池技术在美国、日本、澳大利亚等国获得了快速的发展。ZBB及Premium Power公司则围绕锌溴电池的基础研发及商业化开展了大量工作。目前ZBB和Premium Power公司有不同规格的产品从10 kW到500 kW可供选择，美国能源部及美国电力研究院近年来也对其产品展开了评测工作。Premium Power公司在加州中部莫德斯托灌区建设一个28 MW/112 MW·h的储能项目，是世界上最大的锌溴电池储能项目。澳大利亚的Redflow公司致力于5～10 kW家用型锌溴单电池系统，单堆57 V，最高效率可达78.9%。国内产业化研发起步较晚，当下有3～4家，中国科学院大连化学物理研究所从2008年开始对锌溴电池进行研发，在科技部973项目支持下，在电池功率密度、循环稳定性、系统集成方面做了全面的研究。安徽美能主要以美国ZBB的Energy Store TM技术为基础，进行锌溴电池系统的总装。北京百能汇通在锌溴电池原材料国产化方面做了大量工作。特变电工以检测应用为主，已建成锌溴电池关键材料、单电池、单堆、模块以及储能试验系统等五个检测平台，通过社会合作及自主研发加工，开展了锌溴电池关键材料制作、电堆制作、电池控制系统开发、储能管理系统开发等工作，并实施了南京浦口科技园25 kW/100 kW·h项目，特变电工储能事业部50 kW·h工程[3]。本课题组自2011年开始与澳大利亚专家合作，专注锌溴电池电堆的研发与设计，并成功实现相关技术引进，至今已独立开发出新一代锌溴电池电堆，电堆性能国际领先，这为电池商业化生产打下良好的基础。

国外论文多集中在20世纪80到90年代，1988年，澳大利亚能源与地球资源研究所（Institute of Energy and Earth Resources）的CATHRO等[4-8]对锌溴电池内部的隔离膜（separator）进行研究，得到不同浓度的溴通过隔离膜的能力。他还对电解液性能进行研究，对电解液中的多溴络合物进行优化。德国的MOBIUST[9]于1991年指出，锌溴液流电池应用于大规模高效储能系统需克服溴的动力学问题，强调向电解液中添加液溴对电池系统运行的重要性。波兰科技大学大众食品化学学院的CEDZYNSKA[10]在1994年对锌溴液流电池的电解液进行了改进，其性能优于当时普通使用的电解液。加拿大渥太华大学的WENDY[11]于1994年对锌溴电池的电解液进行了分析研究，配制带有不同添加剂的电解液，在自制的单电池上进行充放电循环测试。德国材料研究和测试联邦研究所下设薄膜科技实验室（Laboratory for Thin Film Technology）的KAUTEK等[12]和澳大利亚维也纳科技大学电化学和固体化学研究所的FABJAN等在2001年通过X-光阴极射线对锌溴液流电池内部的反应机理进行分析。检测X光信号在水中的强度变化，外推法求出充电零点（point of zero charge）得出MEP-Br吸收溴离子的过程比MEM快。

在国内，中南大学的ZHOU等[13]2004年对锌溴液流的特点和应用以及当前面临的技术问题和将来的市场前景进行了分析。并对锌溴的腐蚀性、镀锌过程的枝晶以及自放电等问题进行了探讨。吉林大学的HE等[14]2009年对锌溴液流电池中的锌沉积问题进行研究，讨论了不同溶液酸碱度、电解质浓度、电流密度下锌枝晶形成情况，并对其进行优化。

电解液在电池中的流动对锌溴液流电池也具有极其重要的意义，尤其对阴极金属锌沉积一侧，均匀的流场是保证锌溴电池稳定运行的必备条件，同时，均匀流动能有效减少电化学内阻，延长放电时间，提高电池容量。

合理的流道设计是实现电解液均流的前提。关于流道设计与评估方式包括实验法和数值模拟法。本 课题组已开展了4年的锌溴电池设计与实验工作，成功实现了锌溴电池技术的引进。实验法虽能准确直观地反应实际现象，但耗费时间长，成本高，参数更改困难，数据测量难度大，且测量本身也会影响实验结果。计算机模拟技术弥补了实验的不足，提高了实验效率，降低实验成本和开发周期，并且模拟结果一目了然，在精度合理的情况下，对实验有更显著的指导意义。

针对流道设计与评估的研究文献较少。吉林大学的SU等[15]对锌溴电池流道的流态进行CFD数值模拟，优化流道设计，保证流速均匀分布的同时降低了因流动造成的流量损失。HAN[16]列出了锌溴液流电池流场的模拟及优化。以上两篇文献均以水为流动介质进行模拟计算，流场虽有相似性和一定的参考性，但不能分析更多电解液流动规律。

本文选取电解液物性参数，基于三维数值模拟计算结果，对已付诸应用的流道设计进行评估，包括流场、出口流量均匀度、流道进出口压差以及不同黏度与进口流量对压降的影响，同时针对设计问题，提出合理的解决方案。

1 物理模型

典型的锌溴电池电堆包括终端板、终端电极、双极板和隔离膜，其中单电池由正负电极板和膜框构成，如图1所示；锌溴电池电堆则由多组双极板和隔离膜依次堆叠组合而成，如图2所示。双极板则是通过液流框与碳极板激光焊接而成，其中液流框表面刻有流道，如图3所示，电池运行时，电解液通过流道进入碳极板表面的电池反应区域。

选取已付诸应用的4流道结构为研究对象，物理模型如图4(a)所示，电解液进入电堆后，被液流框内的流道分成四股，并在扇形扩散腔内实现流态扩散，之后进入反应区域，为电化学反应提供足量活性物质。为提高液体在扇形通道内的流速，创新性应用底部坡面设计，如图4(b)所示，即减小扇形过流断面面积的方式，提高过流速度，缓解速度 衰减。

本文通过Gambit软件完成了流道的建模和空间网格离散，为流体模拟计算（CFD）做准备，选取节点间距0.2 mm的六面体结构网格（pave），网格分区。为提高计算精度，分别在壁面、拐角以及扇形坡面出口处对网格加密，比率系数为双向1.1，离散结果如图5所示。

2 数学模型

2.1 模型的简化与初始条件

为了便于数值模拟计算，对模型进行了合理的简化和假设：① 电解液为连续性介质；② 电解液密度保持不变；③ 无限小时间步长内电解液的成分不变，即电解液的黏度不变。入口条件见表1。

表1 电解液物性参数

电池运行时，电解液的成分因化学反应而发生变化，黏度也因此有所变化；另外不同电解液流量也会对其流动产生显著影响。基于此，本文对一系流动列工况进行数值模拟，工况列表见表2。

表2 电解液计算工况

2.2 传输模型

2.2.1 流态分析

雷诺数是表征流体在流道内部流动状态的特征参数，计算公式如式(1)所示

针对同一流道，表2中，流量最大、黏度最小的在simu-09工况的雷诺数最大，为1110，远低于2300，因此表2所有工况下电解液在流道内均为层流流动。

2.2.2 连续性方程

2.2.3 动量方程

式中，为雷诺数；m为运动黏度，N·m；为水利直径，m；为电解液密度，kg/m3；为速度，m/s；为压强，Pa。

2.3 边界条件

基于Fluent软件进行流体仿真模拟，入口边界设定为速度入口（velocity inlet），出口设为压力出口（pressure outlet），入口速度为0.625 m/s，出口压力为4 PSI（28 kPa），重力沿扇形出口竖直向下。采用Simple算法的一阶迎风格式进行迭代计算，迭代收敛结果如图6所示，收敛良好。

Fig.6 Iteration curve

3 计算结果与分析

3.1 流场分布

本文以表1的物性参数为基础对流道内电池流态进行数值计算分析，包括速度场合压力场分布、出口流量分布等。

图7为电解液在流道内的速度分布云图，入口直通道段内流动均匀，流体在随后直角弯处速度场有强烈扰动，如图8所示，但这种波动没有对扇形出口电解液流量差异造成显著影响，图9结果显示，4个出口流量相同（50 mL/min），模拟结果证明了四流道形式的设计可实现各出口流量均等。需要指出的是，电解液在扇形区域内的扩散作用并不明显，如图10所示，电解液在扇形区域内并未实现均匀分布，这表明扇形底部坡面设计未达到预想结果，扇形出口设计方案有待优化。截止目前，相关工作已展开，优化方向包含两点：减小扩散截面积和改变电解液流向。研发组在扇形区域内增加了导流块，如图11和图12为优化后的流场分布云图，计算结果显示导流块对扇形面内均流效果显著。团队后续将着重针对细节优化与工艺可行性进行论证。

3.2 压力分布

压差在电池液路系统中至关重要，压差越大，循环泵的功耗就越大，电池性能就越差。降低流体阻力，减小压差有益于提升锌溴电池性能。图13为动力黏度0.018 Pa·s，流量200 mL/min时电解液在流道内的压力分布，进出口总压降为13.5 kPa，其中，在干支路中，压力由49.8 kPa降到29.5 kPa，压降为20.3 kPa，约占总压降的90%；在扇形扩口内的压力由29.5 kPa降到27.5 kPa，压降为2 kPa，占总压降的10%；结果表明干支路流道是压差的主要来源，扇形扩口处压降占比很小。

3.3 压差影响因素

为进一步探讨流道内电解液黏度和流量对压差的影响，基于经典流体阻力一般公式[式(4)～(6)]，结合本文特殊流道结构，得到流体压降与流量的回归关系式(7)

目前在都兰县关于免耕播种技术的示范基地数量相对较少，基地规模小，建设过程中存在很多不规范之处，辐射效果较差，有些乡镇在示范基地建设过程中不能按照技术的技术规范要求开展合理的田间作业。在示范基地建设过程中，普遍存在重视前期机械播种应用，轻视后期田间管理；重视实践，轻视宣传；重视过程，轻视结果的现象。最终，导致了农田示范基地建设不规范，相关数据采集不合理，不能发挥其应有的示范带动作用。

式中，为与流道尺寸关联的常数；为阻力系数；为水利直径，m；为流道截面积，m2；为流速，m/s；为流道长度，m。

通过对表2中所有工况模拟计算的拟合，确定了关联系数0.7，拟合误差在4%以内，即：① 流量恒定，电解液压差与黏度成正比，曲线如图14所示；② 黏度恒定，压差与成正比，如图15所示。流量对压差的影响程度远大于黏度变化，这也为流道设计提供了理论指导。

4 结 论

本文以锌溴液流电池已付诸实践应用的液流框流道为研究对象，通过Gambit离散网格，基于数值模拟计算结果，对流道设计进行评价分析，为未来试验改进提供指导。

（1）现有的流道设计可实现各出口流量均等，但电解液在扇形坡面区域内并未能实现均匀分布，减小扩散截面积、改变电解液流向可显著改善扇形面内的均流；

（2）以200 mL/min、0.018 N·m工况下的电解液在流道内的压降为22.3 kPa，干支路流道是压差的主要来源，约90%，扇形扩口处压降小于10%，未来的优化方向是改进流道设计，在保持流量不变的情况下尽力降低压差；

（3）压差计算结果符合层流阻力关联形式，关联拟合系数0.7，即电解液在流道内的压差与黏度的0.7次方成正比，与流量的1.3次方成正比，流量对压差的影响程度远大于黏度变化，该结论为流道设计提供了理论指导。

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Estimation of zinc-bromine battery flow channel based on numerical simulation

ZHAO Qianqian1, ZHANG Shaohua2

(2Guodian Nanjing Automatic Co. Ltd., Nanjing 210032, Jiangsu, China)

Flow frame is a core part of zinc-bromine flow battery. Flow channel model is established in order to estimate the performance of flow channel used in application. Based on numerical calculation and flow dynamic simulation on electrolyte, some issues are studied including flow distribution in channel, flow rate in 4 outlets, pressure drop and its influencing factors like viscosity and inlet flow rate. It shows that: 4 outlets have same flow rate while electrolyte is not uniformly distributed in sector area. The pressure drop in channel under 200 mL/min, 0.018 N·m is 22.3 kPa, and the pressure drop is in proportion to the viscosity to the power of 0.7 of electrolyte and the flow rate to the power of 1.3.

zinc-bromine battery; numerical calculation; flow channel; pressure drop; viscosity; flowrate

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.016

TM 911

A

2095-4239（2016）02-228-07

2015-09-14；修改稿日期：2015-12-04。

赵乾乾（1984—），男，硕士，研发工程师，研究方向为锌溴液流电池电堆开发，E-mail：zhaoqian522@126.com。