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新虫 (职业作家)

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[交流] 液流电池电堆设计需要考虑哪些已有1人参与

液流电池电堆作为反应场所，是系统的功率单元，需要考虑能量效率、可靠性、低成本等几个方面，在设计时需要考虑以下几点。? ? ? 一、电堆功率的考量。液流电池功率单元与容量单元是分开的，电堆作为功率单元，其库仑效率、电压效率、能量效率、电解液利用率与电堆的工作电流密度密切相关，在电堆中，输出功率（一般用工作电流密度来表达）及库仑效率、电压效率、能量效率的关系是电堆性能的重要指标，对于固定的电堆，输出功率不同，其工作电流密度和效率是不同的。? ? ? 液流电池电堆额定输出功率一般是指在满足指定能量效率的条件下，电堆在一个充放电循环过程中可持续输出的功率，需要注意的电堆的能量效率是在不考虑能量损耗（泵损耗、热管理系统损耗等）情况下的能量效率。能量效率不同，电堆的额定输出功率是不同的。? ? ? 液流电池电堆输出功率=工作电流密度*电极有效面积*单体平均输出电压*单电池节数，可以看出，1）在工作电流密度不变的情况下（不考虑漏电电堆、电解液均匀性等对电池性能的影响），可以近似认为电堆能量效率不变，增加电极有效面积和单电池节数会提高电堆输出功率，但会增加成本和电堆体积；2）通过提高隔膜电导率、降低双极板及其与电极接触内阻等欧姆内阻，提高电极活性，改善结构设计提高电解液在电极上的均匀性等，在不降低能量效率的情况下，提高工作电流密度来提高电堆输出功率。? ? ? 二、电堆内部流场的设计。电堆的流场主要分为电堆内公共流道和液流框结构（双极板流道）。电堆内公共流道会直接影响单电池间流量的均匀性和分配性，液流框结构（双极板流道）会直接影响电解液在电极上的均匀性。? ? ? 电堆中公共流道的设计：公共流道连接电堆中的各个单体电池，目前常用的主要有u型和z型，两者主要是进出电堆的方式。u型结构中，电堆进出液口在同一侧，每个单体电解液流经的路程是不同的，电解液流量由进出口侧到另一侧流量逐渐降低，并且随着单体电池的增加，电解液流量分配的均匀性逐渐变差。z型结构中进出液在两侧，每个单体电解液流经的路程是相同的，处于电堆中心位置的单体流量最低，两端最大，电解液流速呈现中心对称分布，随着单体电池的增加，电解液流量分配的均匀性也会逐渐变差。? ? ? 液流框结构（双极板流道）设计：液流框上流道设置挡板、多组挡板、多个进液口、进出液口挡板有差别等多种方式，都可以提高电解液在电极上的均匀性，需要注意的是如何平衡提高电解液均匀性的方式与泵损耗；双极板上流道结构，实验室中小片双极板进行流道结构设计，是很容易实现的，多为蛇形流道，大片双极板上进行流道加工设计，目前有在柔性石墨板和塑料石墨板上实现，需要考虑大片双极板上流道和实验室小片双极板上流道是否效果是否相同；电极结构设计，液流电池电极多采用石墨毡，在石墨毡上进行刻蚀流道、提高电极润湿性等，可以减小液流流动阻力，提高电解液在电极上的均匀性。? ? ? 三、漏电电流的控制。液流电池电堆中，电解液是通过分配口流经各个单体，不同单体电池间具有离子通道，而单体电池是串联的，电池间有电子通道，当电子通道和离子通道构成闭合导电回路时，就产生漏电电流，这种电流不经过外部电路，以自放电的形式消耗了电量，一般充电时，总漏电电流为负，一部分电流通过离子通道产生自放电，放电时，漏电电流为正，电堆的放电电流中有一部分产生漏电，实际输出电流减小，进而导致库仑效率降低。漏电电流会降低液流电池容量，表现出来的数据就是降低电解液利用率，长期循环过程中，若漏电电流没有变化，不会产生容量衰减，若漏电电流增大，会产生容量衰减。展开来说，液流框的结构会影响电解液流程，从而影响漏电电流，目前减小漏电电流的主要途径是降低隔膜离子渗透、增加管径（电解液流程）等。? ? ? 四、电堆的安全可靠性。液流电池关键部件包括电极、隔膜、双极板、液流框、集流板、端板、密封件等，这些部件材料的耐久稳定可靠性直接影响电堆的安全可靠性。一是需要这些关键部件具有较强的耐氧化、耐腐蚀性，二是需要这些关键部件具有一定的抗压、抗拉、抗弯曲强度。? ? ? 引起电堆性能衰减的直接原因是电池关键材料在电池运行过程中发生老化、应力损伤污染等现象，产生了膜的质子传导能力降低和阻活性离子下降、电极活性下降、双极板及电极出现“点蚀”等问题。依据材料衰减路径归纳出了典型的关键材料的失效模式，包括材料性能的衰减路径、各衰减路径的产生机理和原因、发生后电池表现以及相应的解决方案等。关键材料包括膜、电极及双极板等。膜材料的衰减路径包括膜的渗漏、磺酸根流失和离子污染等，而膜的渗漏模式根据产生原因的不同又分为机械应力导致和自由基攻击导致的化学降解两种情况；电极的衰减路径主要包括电极活性(活性官能团减少和局部降解)下降和堵塞两种情况，其中活性官能团减小主要由碳毡脱落、氧化以及杂质等几个方面；双极板的衰减路径包括导电性降低、双极板破损（包括局部破损和受力处破损）。材料的各种衰减路径和机理的产生原因主要归结于电堆组装中受力不均匀、电堆操作条件，操作条件主要反应温度以及流速控制导致电解液在电极上不均匀造成电极上电流不均匀，进而造成“点蚀”。针对不同材料的失效模式，可以通过两类措施进行针对性设计，一方面是提高耐受性材料的开发和应用;另一方面是针对导致材料失效和衰减的操作模式，采用适当的系统控制策略减少或避免相应的操作条件。
发自小木虫手机客户端

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