液流电池流场结构设计与优化研究进展

岳孟，郑琼，阎景旺，张华民，李先锋

（1 中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部，辽宁 大连 116023；2 中国科学院大学，北京 100039）

普及应用可再生能源是实现我国能源革命和能源结构调整，建立“安全、经济、高效、低碳、共享”能源体系，保障“碳达峰、碳中和”目标的重要支撑。但是，风能、太阳能等可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控的特性，大规模并入电网会给电网的安全、稳定运行带来严重冲击。储能技术通过能量的存储与释放，可有效地平抑大规模可再生能源发电接入电网带来的波动性，有效促进电力系统运行中发电电源和负荷的平衡，提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。在众多储能技术中，以全钒液流电池为代表的液流电池技术[1-2]因具有功率与容量可独立设计、可靠性高、安全性好、寿命长等优点而成为大规模储能应用的首选技术之一。当前液流电池面临的主要挑战在于初次投资成本偏高，而通过提升电池性能，尤其是开发高功率密度电堆可有效降低液流电池系统成本。具体来讲，包括关键材料的开发创新[3-4]和流场结构的设计与优化。与其他电池相比，液流电池的独特优势之一在于电池运行时电解液处于流动的状态，使得液流电池中的离子传递速率（以对流为主导）比锂离子等电池中的传质速率（以扩散为主导）快数个数量级，而电解液的流动过程主要受流场结构的影响。因此，通过流场结构的优化设计，改善电解液在流场中的流动性能，以充分发挥液流电池中的传质优势，是降低电池极化、提高电堆功率密度的有效策略。

近年来，研究者们在液流电池流场结构设计与优化方面开展了大量工作。主要通过数值模拟[5-6]和实验验证相结合的方法，系统研究了电堆内部流场、浓度场、电场及电化学反应等各场间耦合作用及其调控机制，明晰了电堆内部各微观场的时间和空间分布特性，并在此基础上指导流场结构的优化设计工作，提出了一系列新型流场结构，有效改善了电堆性能。针对此，本文对近年液流电池流场结构的研究，包括双极板上的结构设计、电极上的结构设计和异形流场结构设计与优化等方面的进展进行了综述，并展望了改善电堆性能的结构设计与优化策略。

1 液流电池电堆的结构

单电池是组成电堆的基本单元。如图1(a)所示，每个电池单元主要由离子传导膜、多孔电极、电极框、双极板和端板组成。各部件之间以密封垫间隔密封，并通过螺杆和螺帽将所有部件紧固装配为一体。电池运行时，电解液被泵入电池，流经多孔电极，在电极表面发生电化学反应，然后流回储液罐，如此循环。电堆是液流电池储能系统的核心部件，如图1(b)所示。电堆是由多组电池单元以压滤机的方式叠合而成[7]，相邻电池单元通过双极板相连，即串联装配，每个电堆配有一套电解液循环系统，电堆运行时各个单元的液相回路并联。

图1 液流电池结构示意图[7]

液流电池中的流动区域即流场，主要由液流框、双极板、多孔电极和离子传导膜构成。流场结构直接决定电解液的流动特性，从而影响电极内部及表面的液相传质与反应过程，最终影响电池性能。具体来讲，电解液在电池流场内的流动特性主要影响电池内部浓差极化。浓差极化表达式为式(1)[8]。

式中，ηc表示浓差极化；u表示电解液局域流速；cb表示电解液体相中活性物质的浓度。

由式(1)可知，对于特定的反应体系，当电流密度不变时，局域浓差极化主要由电解液流速和浓度大小决定，总体浓差极化则受电解液流速和浓度大小及分布控制；而当电解液初始浓度一定时，局域电解液浓度大小和分布又与电解液流速大小和分布直接相关[9]，故可以认为电解液流速通过影响电解液浓度而进一步影响电池内部浓差极化。而电解液流速又主要由流场结构决定，因此，科学合理的流场结构以保证电解液在电池内均匀稳定地流动，是提高液流电池运行可靠性和电堆功率密度的前提，其在液流电池技术的工程化放大和商业化应用中极为重要。

2 液流电池流场结构设计

下文将从双极板上的流场结构设计、电极上的结构设计和异形流场结构设计与优化三方面对液流电池结构设计与优化研究展开综述。

2.1 双极板上的流场结构设计

由于液流电池的结构与燃料电池的结构较为相似，早期的部分研究者借鉴了燃料电池中的流场结构，采用机械雕刻加工等方式在平板状的双极板上刻蚀流道，根据流道中电解液的流动方式不同主要有蛇形流道、并行流道和交指流道三类[10]，如图2所示。这类流场是近期液流电池流场结构设计研究的热点。相关研究主要集中在流场结构几何参数的优化、流场结构对不同运行条件和装配参数的适配和衍生流道结构三方面。

图2 传统的液流电池流道结构[10]

2.1.1 流场结构几何参数的优化

采用传统实验的方法通常只能得到电池的整体性能指标，比如压降、电池效率、极化等，但流场结构对电池性能的影响是微观层面的问题，通过实验得到的这些指标难以明确局域发生的真实过程。近年来，得益于数值模拟的发展，人们利用模拟研究可获得各个物理量在电池内部的分布情况，从而阐明流场内部过程和流场结构对电池性能的影响机制，并据此指导流道结构的设计与优化。Ishitobi等[11]通过构建2D 稳态模型，研究了以碳纸作电极并采用交指流道时垂直于膜方向上的流动、传质和反应过程。研究发现，由于碳纸的渗透率较低，电极中流速不够均匀，从而形成低流速区，低流速导致低传质系数，进一步引起大的浓差极化。故在进行电极设计时，不仅需要提高反应活性，提高其渗透性对于降低电池极化亦很关键。Ke 等[12]通过分析极限电流密度表达式发现，在采用蛇形流道的电池中，极限电流密度既非界面扩散也非对流控制，而是主要由流道渗入电极中的活性物质的量控制。随后通过3D 模拟研究发现，相邻流道间的压差使电解液渗入电极；由于入口动量最大，第一个流道中电解液渗入电极现象最明显；此外，转弯处的渗透量远小于平行流道区域。这种不均匀的流动分布会直接导致电流密度分布不均匀。增大电极厚度或孔隙率均可增加电解液的渗入，从而增大极限电流密度，但电极加厚会增大欧姆阻抗，而增大孔隙率会增大电阻和减小反应比表面积，从而使界面传质和欧姆阻抗成为影响性能的主要因素。Macdonald等[13]通过结合1D、2D和3D模型分析了采用交指流道、并行流道和无流道结构时流场中的流动均匀性和压降，并利用2D 模型对电极和交指流道尺寸进行了优化，得出电极厚度/流道+肋板宽为0.5 左右时有效反应面积最大，并推导出了用于交指流道流场中压降和流速预测的经验关系，如图3(a)。随后，他们采用同样的方法研究了采用交指流道和蛇形流道结构时流场中的流动均匀性和压降[14]，并利用2D模型对电极和蛇形流道尺寸进行了优化[图3(b)]，得出电极厚度/流道+肋板宽为1.6 左右时有效反应面积最大，并推导出了用于交指流道流场中压降和流速预测的经验关系。同时他们还发现，对于蛇形流道，为了保证电极中的电解液供应充分，一般应设计厚电极和高流速运行参数，不过通常会引起更大的压降；而交指流道设计能以更小的流率和更小的压降实现电极中电解液均匀分布。

Lee等[15]利用3D多物理场耦合模型探究了蛇形流道的尺寸对电池性能的影响。研究发现，窄而密的流道可以实现电极中更高的电解液流速和活性物质浓度，且分布更均匀，如图3(c)所示，但对应的泵耗也会增加。综合考虑电池性能和泵耗，当流道宽1.9mm、流速60mL/min 时可以获得最高的系统效率96.6%。Gundlapalli 等[16]研究了蛇形流道的几何参数对电池压降和电化学性能的影响。研究结果表明流道尺寸对电池极化影响不大，但增大流道宽度可减小压降，且电极面积放大时该现象更明显。故增大流道宽、减小肋板宽可作为提高整体性能的策略之一。但流道太宽会导致电极被压入流道，如图3(d)，从而使压降和极化反而增大，因此，流道的宽度需进行合理设计。Li等[17]通过结合三维CFD模型和三维多物理场耦合模型探究了采用具有不同宽度肋板的交指流道的电池性能发现，肋板宽度越大，电极中的流速越大，但泵耗也越大，从而使得基于泵耗的电压效率先快速增大后趋于稳定。通过多种变量优化设计，发现当流速为4.5mL/min、电流密度为200mA/cm2、肋板宽度为3mm时可获得最高的基于泵耗的电压效率79.1%[图3(e)]。

图3 不同流场结构中几何参数的优化

Houser等[18]对比了等流程结构、蛇形流道和交指流道对电池性能的影响，发现等流程结构可提高电池的电化学性能，但会带来额外的泵耗。为了降低压降，研究者提出aspect ratio结构，通过缩短流程减小流阻，在不损失电化学性能的同时降低泵耗，进一步提高了系统效率，如图4。值得一提的是，文中所提出的等流程结构与Zheng 等[10]早前提出的平推流结构不谋而合，而aspect ratio结构也类似于同一文中提出的短流程平推流结构。

图4 不同流场结构的示意图[18]

2.1.2 流场结构与运行参数、装配参数的适配

电解液在电池中的流动过程不仅受到流场结构的影响，还与电池的运行状态，如电解液流率、装配参数（电极压缩比和电极厚度）等密切相关，同样的流场结构在不同运行条件和装配条件下表现迥异。因此，最优流场结构不仅意味着流场几何尺寸最优化，同时也是流场结构与运行参数、装配参数相适配的结果。Xu 等[19]通过构建三维多物理场耦合模型探究了引入蛇形和并行流道对电池性能的影响，发现两种流道的引入均能减小压降，提高活性物质分布均匀性。在流率为25mL/s 以下时，采用蛇形流道的电池系统效率最高，但继续增加流速后采用并行流道的电池性能更佳。Yin 等[20]分析了采用交指流道时不同进口条件下压强、电势、电流密度、过电势的分布，发现电解液流率和流道尺寸均显著影响流动分布和电池性能。当电解液仅从流道流入流出时，电势、电流密度和极化沿流动方向均匀分布；当电解液从流道和电极同时流入流出时，低流速下（stoich<25）电极中压降显著，使得流动和电势分布不均匀，高流速下（stoich>25）电势分布均匀性提高，且电极利用率高于仅从流道流入的情况，电池性能也更佳，如图5(a)。此外，流道截面边长从1mm 增加到1.5mm 时，若采用仅从流道流入的方式，放电电压不变，采用流道和电极同时流入的方式则电压下降，且流道边长1.5mm时从流道流入显著优于从流道和电极同时流入的情况。Ke 等[21]利用二维模型分析了入口条件对带有蛇形流道的液流电池中的流动分布和电极界面渗透过程的影响。研究发现，采用理想平推流或抛物线流入口条件会导致不同的界面流动分布，如图5(b)和(c)所示，但并不影响渗入到电极中的电解液总量，而渗入的电解液量与极限电流密度直接相关。换言之，入口条件为平推流还是抛物线流对电池的极限电流密度影响不大。

Al-Yasiri等[22]通过模拟研究发现，在低流速和高电流密度运行时，蛇形流道深度对电池性能的影响最显著，且浅流道的能量效率和系统效率最高，对应最佳流率也最小，这与Houser等[23]的研究基本吻合。Houser等采用实验与数值模拟相结合的方式对比了交指流道和蛇形流道的特性发现，流场结构对电池性能的影响与电极厚度和电解液流速密不可分，且不同流场结构的影响机制不同。低流速薄电极时采用交指流道的电池性能优于蛇形流道，增大流速或增厚电极时采用蛇形流道与采用交指流道的电池性能差距逐渐减小甚至出现相反的规律。这是因为在蛇形流场中，进入电极的电解液比例取决于流道和电极中压降的相对大小，电极越厚压降越小，使得更多的电解液进入电极，且同时平均流速变化不大[如图5(d)]，这有利于强化传质。对于交指流道，所有电解液都强制流经电极，一方面增大电极厚度会使电极中流速下降、传质弱化；另一方面电极厚度增加使反应表面积增大，故电极厚度增加时电池性能可能先有所提升，但随着厚度不断增大，传质受限逐渐占主导，导致电池性能下降。Maurya等[24]对比研究了以碳毡为电极时引入蛇形和交指流道前后电池性能变化。结果显示，未引入流道的电池中电解液分布最均匀，蛇形流道次之，交指流道最差，电池能量效率也呈现相同的规律。但在低流速和低电流密度时交指流道表现最佳。

图5 流场结构与运行参数、装配参数的适配

Messaggi 等[25]采用实验和模拟相结合的方法对比了以碳纸为电极时引入蛇形或交指流道对电池性能的影响机制。压降和极化测试结果显示，相同流率下，采用蛇形流道的电池极化较小，压降较大；且在低电流密度、高流速时，采用交指流道时系统效率高于蛇形流道，高电流密度或低流速时则相反，说明了对比流场结构的影响时应采用相同压差而非相同流率。模型分析发现，流速分布和反应速率分布规律相似，蛇形流场中其最大值位于中部肋板下方的电极区域，最小值位于转弯处的肋板下方的电极区域，交指流场中流速和反应速率分布更均匀，但也是在肋板下方电极区域中最大，这是因为在流道处电解液会以bypass的方式流过电极。流速和反应速率分布不均匀将导致局域SoC差异，在蛇形流场中SoC分布从入口到出口显著减小，而交指流场中分布相对更均匀，不过出口支流道下方电极区域中明显更低[如图5(e)]，这是由于肋板下的反应消耗活性离子所致。此外，他们还发现，加厚电极可以提升性能，而采用交指流道时提升更明显，这是因为电极加厚使活性面积增大。但显然电极厚度并非越厚越好，考虑到传质的限制，当厚度增大到一定程度后性能必将下降。Pezeshki 等[26]研究对比了采用厚碳毡和薄碳纸时引入蛇形流道对电池内部过程的影响。发现在给定的条件下，流场结构会显著影响以碳纸为电极时的电池性能，但对以碳毡为电极的电池影响基本可以忽略。他们认为，这是因为以碳纸为电极时，引入蛇形流道可增大实际反应表面积（170cm2增加至220cm2），对应的活化极化也降低一半，如图5(f)，但流道的引入也会使得部分电解液从流道流出，电极中的流速下降，从而增大浓差极化，如图5(g)；以碳毡为电极时，流道的引入对反应表面积和活化极化都影响不大，同时由于碳毡内部流动阻力远小于碳纸，流道中流动的阻力相对更大，故流道引入前后电解液的流速变化不大，也不会增大浓差极化。

电极的压缩率是一个重要的装配参数，通过优化电极压缩比可以有效提高电池性能[28]。电极的压缩过程不仅会导致电极被压入流道，还会显著改变电极与双极板的接触、电极的厚度和流通性等。Chang 等[29]通过一系列实验测试发现，随着压缩比增加，一方面接触电阻减小，有利于电子的传导，但同时也会让电极孔隙率下降，使得液相传质阻力增加。Wang 等[27]测试了不同压缩比下，流道引起的电极不均匀压缩及其对电池性能的影响。流道的存在导致不同区域具有不同的孔隙率和渗透性。随着压缩比增大，压降增大，局部渗透性降低，但充放电时间延长。当压缩比从0.3%增加到41.8%时，能量效率可提高19.4%。考虑到实验研究的局限性，随后又通过构建三维模型探究了不同压缩比下带有蛇形流道的电池内部传质与反应过程的变化[27]。结果显示，电极压缩过程中，流速、局域电流密度和过电势的分布都与流道空间分布密切关联。流率不变的情况下，压缩比增加，使得相邻流道间压差增大，压降和体相流速增大，传质也得到强化。在压缩比为55.7%时，电极中活性物质分布最均匀，模拟得到的局部电流密度和过电势最小，如图5(h)。

2.1.3 基于常用流道的衍生设计

前述的三种常用加工较为简单，但在不同运行条件下也存在一定的问题，如采用并行流道时电解液难以充分渗入电极导致极化增加[13]、采用蛇形流道时压降较大且在局部区域存在电解液分布不均匀[30]、交指流道在电极面积较大时容易出现流动分布不均匀等[31-32]。为了进一步提升电池性能，研究者们开展了一系列衍生流道结构的设计与优化工作。

由于并行流道中电解液难以渗入电极中，Lisboa 等[33]在其基础上设计出了一种波浪形流道，如图6(a)所示，通过周期分布的节流口增大局部流动阻力促使电解液流入电极。极限电流密度测试显示，极限电流密度与Re0.74成正比，相比于典型的扩散控制的层流过程（正比于Re0.33），传质过程得到显著增强。极化曲线测试也进一步验证相比于采用普通并行流道，波浪形流道结构的净功率密度增大102%，且节流口越小，最大净功率密度越大。Choe等[34]则通过设计并利用模压成型的方法制备了一种具有波纹状结构的碳素复合双极板，如图6(b)。通过将电极压入波纹状流道结构形成兼具高压缩比和低压缩比的电极区域，其中压缩比高的区域电阻小，提供电子快速传递路径，可降低欧姆阻抗；而电极压缩比低的区域电解液渗透率高，供电解液快速流动，从而降低泵耗。为了最大程度地降低欧姆阻抗和泵耗，他们对波纹状结构的几何参数进行了优化，最终得到具有正弦波形、振幅1.2mm、波长20mm 的最优双极板结构，相对于平板状的双极板，其欧姆阻抗降低了5%，泵耗降低了21%。随后，Choe等[35]通过考虑电池运行条件和装配条件进一步对波纹状双极板进行了优化。根据泵耗和阻抗最小化优化得到最优振幅为1.2mm，然后利用有限元法分析了电极和双极板的形变，通过设定电极、双极板充分接触和双极板形变量小于5%得到最优振幅为60mm，最低双极板厚度为0.3mm。Akuzum等[36]通过3D 打印的方式在并行和交指流道中设置楔形和棱柱型的凸起，并研究了凸起的引入对电池性能的影响，如图6(c)。研究发现，在流道中加入凸起有利于电解液从流道渗入电极，从而提高电池的峰值功率密度和极限电流密度，而采用楔形凸起还可同时为电解液从流道渗入电极的过程提供缓冲，从而减小压降。对比于引入凸起前，加设凸起后交指流道的峰值功率密度和极限电流密度最高提升15%，并行流道最多提升150%。

图6 基于常用流道的波纹状和凸起状结构

针对交指流道在大电极面积液流电池中的应用，Gundlapalli等[37]探究了在进口主流道中设置支柱和将流道改变为锥形[图7(a)]等策略对电池性能的影响。研究发现，在大电极面积的情况下，如果采用较宽的入口主流道，会导致电极压入流道，从而减小流通截面积，极化增大。通过在该流道中设置一定数量的支柱可有效解决该问题，但会同时带来教大的压降。所有流道改为锥形后，电池充放电极化减小，放电容量和功率密度增大，但压降也随之增加。同时设置支柱和将流道改为锥形可得到更高的放电容量和能量密度，但即使这样，仍然不及采用蛇形流道。Zeng 等[38]设计了多级交指流道[图7(b)]，通过流道截面积的逐级递减，在增强传质的同时亦减小了泵耗。当电极面积为40cm2时，相比于普通交指流道，采用多级交指流道的电池压降减小了65.9%，而在泵耗相同、电流密度为240mA/cm2的情况下，采用多级交指流道可以将电压效率提高5.3%。Sun 等[39]利用数值模拟系统地分析了电极面积由9cm2放大至900cm2时交指流道的4 种设计策略：①几何相似，流道的高度和数量不变，流道和肋板的宽度、流道的长度放大10倍；②流道延长，即流道长度和数量增大10 倍，宽度和高度不变；③压降相同，即保证电极面积放大前后压降相同，具体来讲，流道的高度和长度延长10 倍，宽度扩大2倍，数量增加6倍；④分离式交指流道，即多级交指流道，流道的长宽高均不变，仅增加流道的数量，如图7(c)～(f)所示。模拟分析发现，采用分离式流道时，电极中电解液流速增大，活性物质分布均匀性提高，浓差极化减小，从而使得电池的能量效率最高。但其压降也最大，通过增加额外的入口或拓宽主流道可以有效减小压降。

图7 基于交指流道的衍生设计流道[37-39]

对于蛇形流道，其内部压降主要源于较长的电解液流程。通过增加或改变流通路径可有效减小压降。Zhang 等[40]通过构建适用于蛇形流道的二维多物理场模型，研究了具有不同平行流道数量的蛇形流道在液流电池中的效果。结果显示，增加平行的流道数量虽有助于减小泵耗，但相邻电极中的活性物质分布均匀性反而显著下降。然而，Ali 等[41]利用三维多物理场模型研究了不同数量的平行蛇形流道结构对电池性能的影响[图8(a)]，研究结果表明，随着流道数量增加，流阻和电解液的湍动程度减小，从而压降减小，但同时电极中的流速减小，不利于电解液在电极中的对流，使得活性物质浓度降低，故也会导致放电电压降低。不过，从系统效率来看，相同流率下流道数量增加有利于系统效率提升，采用四重蛇形流道时，在60mL/min 流率下最大系统效率可达97.18%。对于大规模储能应用来讲，系统效率具有更大的实际意义，故多通道蛇形流道或是大电流面积电堆的选择之一。除了多通道蛇形流道，Lu等[30]提出了一种旋转式蛇形流道，如图8(b)，模拟结果显示，采用该流道有利于强化电解液从流道渗入电极的过程，增强活性物质的传递，提高活性物质在电极中的分布均匀性，从而降低极化，提高放电容量。在不同流率下，采用旋转式蛇形流道的电池泵耗介于采用传统蛇形和交指流道的电池之间，但得益于其更高的放电电压，净放电功率高于采用传统蛇形和交指流道的电池，且其系统功率效率比传统蛇形流道高4.2%～12.6%，比交指流道高1%～4%。Gundlapalli等[42]开展了大电极面积的蛇形流道优化设计以降低压降的研究。提出了并行三通道蛇形、错流式蛇形和复振式蛇形3种结构，如图8(c)～(f)。研究表明，采用三通道蛇形或错流式蛇形流道均可减小压降，但其电化学性能不及采用普通蛇形流道。在电极面积为900cm2、电流密度60mA/cm2时，相比于普通蛇形流道，采用复振式蛇形流道不仅可大幅减小泵耗，还能提高放电容量12%，提高系统效率3%。CFD 结果亦显示，采用复振式蛇形流道时流程缩短，电解液分布均匀性好，从而保证了活性物质的快速及时更新。

图8 基于蛇形流道的新型流道结构[30,41-42]

除了上述传统的三种流道，也有部分研究者利用拓扑优化法对理论上的最佳流道设计开展了研究。Yaji 等[43]基于强制对流理论，通过将流场优化问题转化为一个材料分布及反应速率最大化问题，构建了一个二维模型，采用拓扑优化法最终得到如图9(a)所示流场结构。进一步分析流场结构对孔隙率和压降的敏感性发现，孔隙率越大、压降越大时得到的最优流场结构中多孔电极区域越厚，占比越大，反之亦然，这是因为孔隙率越大、压降越大，电极中电解液渗透越容易，多孔电极中的流速越大，更有利于反应的进行。随后，Chen等[44]通过将流场优化问题转化为充电过程中负极电极表面V3+浓度最大化的问题进行了三维拓扑优化，得到的最优结构如图9(e)所示。结果显示，采用优化得到的结构与采用交指流道时的活性物质浓度分布、过电势和最大电流密度值相当，他们认为这是电池面积太小难以体现出最优结构的优势。不过这也从侧面证明了交指流道对于液流电池来讲是一个比较理想的选择。值得一提的是，采用拓扑优化得到的最优结构并不规则，加工难度较大，或许在未来随着3D打印等技术的普及，会有一定的应用前景。

图9 二维拓扑优化结构及其物理场分布[43-44]

2.2 独立于双极板的流场结构设计

为了保证良好的电导性，常采用石墨板材料作为双极板进行流道结构设计。石墨板不仅价格昂贵，而且在加工流道的过程中会破坏石墨板的机械性能，并引入锋利的边缘，这些边缘在电池运行过程中易被正极电解液氧化腐蚀，不利于液流电池的长期稳定运行和工程放大。基于此，部分研究者提出在电极上加工流道，在保留双极板上流道结构优势的同时提高电堆运行的稳定性和系统的经济性。

早在2014 年，Mayrhuber 等[45]就曾报道利用二氧化碳激光在碳纸上凿孔制造电解液传递通道，如图10(a)所示。并探究了凿孔前后以及孔的大小和分布密度对电池性能的影响。研究显示，凿孔有利于增强传质，从而提高电池的峰值功率密度和极限电流密度。但过渡凿孔会损失反应表面积，反而降低电池性能。当孔径为234µm、分布密度352.8/cm2、流率为20mL/min 时，峰值功率密度和极限电流密度可分别提高30%和15%，尽管电极总表面积减小了15%。如果进一步增大流率至120mL/min，可以将电池峰值功率密度提高至543mW/cm2。

然而，碳纸较薄，其提供的活性反应位点有限，在碳纸上设计流道的空间并不大，且以碳纸为电极时往往依赖于在双极板上加工流道以实现电解液的充分流动，不利于降低系统成本，故液流电池中电极多为多孔碳毡或石墨毡。碳毡和石墨毡的厚度通常在1mm以上，更便于进行流道设计和加工。Bhattarai 等[46]在多孔碳毡电极上设计了4 种流道，分别是靠近集流体侧的并行流道、交指流道、电极中部的圆形交指流道和电极中部的交叉流道，如图10(b)所示。结果表明，在给定流速下，采用靠近双极板侧的并行流道压降减小39%，但其充放电性能较差，与传统并行流道类似，这主要是由于电解液难以渗入电极。而采用靠近双极板侧或电极中部的交指流道均有利于提高电解液在电极中分布的均匀性，促进活性表面积的充分利用，从而提高能量效率和电压效率。其中，采用靠近双极板的交指流道还可显著降低压降。综合考虑电池性能和泵耗，采用靠近双极板侧或电极中部的交指流道可分别提高系统能量效率2.7%和2.5%。之后，他们采用双极板侧带交指流道的电极组装了电堆[47]，其充放电测试显示，相比于普通电极，采用该电极后泵耗降低40%，在80mA/cm2时可获得80.5%能量效率。Yin等[48]也在电极上设计了交指流道，如图10(c)，与Bhattarai 等不同的是，Yin 等设计的流道从双极板侧贯通至膜侧。多物理场耦合模拟和充放电测试显示，采用该电极的电池中会形成树叶状的浓度和电势分布规律，从而导致中部极化较大。与传统无流道设计和双极板上设交指流道相比较，采用该电极有利于降低泵耗和降低电池极化，从而得到最高的系统效率。Daugherty 等[49]利用激光在3mm 厚的碳毡上刻蚀出宽度200µm、间距1mm、深度1.2mm的并行流道，如图10(d)。电化学阻抗谱测试结果显示，与刻蚀前相比，采用刻蚀流道后的电极时电荷转移阻抗和扩散传质阻抗均显著降低，他们认为这是因为一方面刻蚀的小流道起着毛细管结构的作用，有利于电极表面的快速润湿，从而提高电极表面的反应活性；另一方面，刻蚀流道后，电极中电子和离子均能实现迅速地传递。在两方面的协同作用下，采用该电极组装的电池表现出高倍率性能，且100次充放电循环后容量保持率为84.9%。

图10 电极流道结构

Sun 等[50]提出了分离式蛇形流道的概念，分别在电极靠近膜侧和双极板上设计了蛇形流道，如图11(a)。模拟结果显示，采用该结构可以有效实现三维空间上的电解液均匀分布，提升电池性能。相比于传统蛇形流道，其泵耗降低。相比于传统交指流道，其电解液在垂直电极方向上的电解液流速增大，从而强化该方向上对流为主的传质过程，从而使得其电压效率和系统能量效率分别提高4.2%和3.2%。另一个避免在双极板上刻蚀流道造成其氧化腐蚀的策略是引入新的部件。Cervantes-Alcalá 等[51]提出了含有网格状垫圈和三角形进出口电解液分配区的新结构，如图11(b)。CFD 计算结果显示，在进出口设置三角形导流区后电解液流动均匀性得到显著提升。示踪剂分子的停留时间分布分析发现，与交指流道相比，在电极区设置网状的垫圈可以将电极区域流速提高6倍，从而强化传质过程，缩短停留时间。Duan等[52]利用3D打印技术，将光敏树脂打印成蛇形流道[图11(c)]，并置于电极和膜之间，以减少对双极板的破坏。研究结果显示，引入这一新的组件并不会降低电池的能量效率，且采用新结构后，充电后的正极双极板上的含氧官能团更少，证实了该结构可抑制双极板的氧化腐蚀。不过靠近膜侧的导流结构会在一定程度上阻碍电解液靠近膜，不利于离子的传递，从而导致电压效率下降。为了消除这一不利影响，并进一步降低电池内阻，以提高电池的电压效率，Sun等[53]提出可将制备导流结构的材料替换为多孔材料[图11(d)]，并构建模型验证了这一策略，结果发现，采用多孔流道可以有效减小对离子传递的阻隔，增强电解液与膜的接触，并提高电流分布的均匀性，从而降低极化。不过相关设计仍停留在理论阶段，实际效果有待进一步验证。

图11 电极和双极板上的复合流道结构[50-53]

2.3 异形流场结构设计

传统的液流电池均为矩形平板状结构，在矩形电池中，电解液从入口流至出口的过程中，随着电化学反应的不断进行，活性物质浓度不断下降，故下进出口方向上会形成明显的浓度梯度，从而造成出口附近浓差极化大。Zheng 等[54]基于传质理论和对矩形液流电池中的传质受限分析，提出以沿进出口方向速度递增的方式弥补该方向上反应物浓度的逐渐减小，以消除该方向上的浓差极化，首次提出进口截面大、出口截面小的环形流场结构，如图12(a)所示。与矩形流场相比，采用环形流场结构有利于强化内部传质过程，提高活性物质分布的均匀性，从而降低浓差极化。充放电测试显示，采用环形流场结构可提高电压效率（VE）、能量效率（EE）、电解液利用率（UE）和放电容量，尤其是在高电流密度下。在160mA/cm2电流密度下充放电时，相比于矩形结构，采用环形结构可提高30.46%的电解液利用率和2.55 倍的储能容量。环形液流电池虽然通过强化液相传质降低了浓差极化，提高了电池性能，但由于其具有特殊的弧形边缘，使得其材料利用率偏低，装配和密封复杂，加工难度大，不利于液流电池的大规模储能应用。基于此，Yue 等[55]提出梯形流场结构，并构建逐步优化法对梯形流场进行了优化，如图12(b)。模拟结果显示，采用梯形流场同样有利于强化传质过程，提高活性物质浓度在进出口方向分布的均匀性，从而降低浓差极化。根据优化结果组装出了0.5kW级的电堆，充放电性能测试显示，相对于采用矩形流场结构的电堆，梯形电堆的电压效率、能量效率和电解液利用率均得到了较大的提升，且工作电流密度越高，优势越明显。在120mA/cm2电流密度下，相对于方形电池，梯形电池的电解液利用率提升25%。之后，Gurieff 等[56]利用三维多物理场模型分析对比了矩形、梯形和扇形流场中的流动、传质和反应过程。结果显示，采用梯形和扇形结构可加速电极中电解液的流动，从而减小进出口浓度梯度[图12(c)]，提高极限电流密度。相比于采用矩形流场，采用梯形流场得到的平均极限电流密度相当，但最大极限电流密度提高11%。而采用扇形流场可将平均极限电流密度和最大极限电流密度分别提高17%和122%。

除了平板状结构，Ressel 等[57]首次设计并加工了一种圆管形电池，如图12(d)所示。极化曲线测试显示，其最大工作电流密度仅70mA/cm2，这是电池的欧姆阻抗太大所致[图12(d)]，因为其浓差极化和活化极化之和在20mA/cm2电密下为52mV，与平板电池相当，而其面电阻为6.1Ω·cm2，比文献中报道的平板电池的面电阻高了12 倍。不过，该圆管形电池的泵耗远低于平板状结构，且其密封周长较小，有利于降低加工成本。

图12 异形流道结构[54-57]

3 结语

液流电池流场结构直接影响电解液的流动性能，通过流场结构的科学设计可有效强化传质过程、提高反应分布均匀性，从而降低极化，提高电堆功率密度和可靠性，降低系统成本。结合数值模拟方法，研究者们基本掌握了流场结构对电池内部过程的影响机制，开展了一系列创新性流场结构设计与优化研究。目前，关于液流电池流场结构设计的研究主要集中于在双极板上刻蚀并行、交指、蛇形流道及其衍生的流道结构，但由于其使用成本高昂的石墨板材料，加工流道容易破坏其机械性能，同时引入极易被氧化腐蚀的流道边缘，不利于液流电池的工业化放大。新型流场结构如在电极上刻蚀流道、引入新的流道部件或者短流程平推流、环形结构和梯形结构等都具有一定的前景，其优化、放大和工程化都是未来重要研究方向。此外，传统的优化手段都是通过既有结构优化得到最佳性能，拓扑优化则是从最优性能反向定位最优结构，这为流场结构优化设计提供了新的思路，伴随着3D 打印技术的不断成熟和普及，拓扑优化或会成为极具潜力的研究领域。此外，流场结构对电池内部过程的影响与电堆的运行条件，如电解液流率、装配参数（电极厚度和压缩比）等因素密不可分，在进行流场结构优化时需要考虑与它们的适配关系，实现多因素协同优化。