全钒液流电池凭借其本征安全性、功率与容量解耦、循环寿命长等优势，成为长时储能领域的优选技术之一。然而，VRFB的实际能量效率（通常为75%～85%）仍显著低于锂电池（＞90%），成为制约其商业化推广的核心瓶颈之一。
为提高VRFB性能，大量学者从电极材料、电解液成分及流道设计等方面进行了研究，其中流道设计的研究成果较为丰富。
图源：纳科新材
图源：耕驰新能源
在各类传统流道和新型流道中，双螺旋流道的入口或出口位于电极中心位置，这缩短了流动路径，从而降低了压降。
然而，注意到现有研究双螺旋流道的正极或负极的2个入口（或出口）均位于电极中心（或外侧），即电解液呈顺流流动。
通过建立耦合流动传质及电化学反应的VRFB三维模型，模拟电池内物理化学过程，探究双螺旋流道内电解液呈顺流和逆流流动时VRFB的压力、速度和浓度分布，系统地比较2种流动模式对电池性能的影响。
1 全钒液流电池与双螺旋流道的结构
图1展示了VRFB工作原理。
充放电过程中，正负极储液罐中的电解液依次经过泵和流道，最终进入多孔电极并发生如下电化学反应。
反应过程：
图2和图3为用于仿真的双螺旋流道模型。
其中，H1为电极厚度，H2为离子交换膜厚度，W为电极边长，d1为流道宽度，d2为流道高度，d3为肋宽度。
模型假设条件：
1)由于电解液在VRFB中流速较低，故流动状态为层流；
2) 电解液视为不可压缩流体，且为稀溶液；
3) 忽略反应的热效应及副反应，系统温度恒定且均匀；
4) 忽略膜内离子迁移，将膜视为电解质；
5)储液罐中的电解液充足，电极内的反应速率较低，可以将瞬态过程简化为准稳态过程。
随后，重点分析逆流时电解液的流动“短路”现象（与物理电路短路不同，本研究的“短路”，是指因流道入口和出口距离较近，电解液从入口流入后，未继续流入电极中心区域即流出电极的现象）对压降和传质的影响，并利用“短路”带来的低压降优势，进行等泵功率下顺流与逆流的模拟对比，计算压降、均匀系数及能量效率等指标，系统地比较2种流动模式对电池性能的影响。
2 相同流量下双螺旋流道顺流和逆流性能分析
本研究使用的最大流量为80 mL/min，此流量下Re为180，故本研究所有流量下电解液流动状态均为层流。为比较VRFB内电解液呈顺流和逆流流动时的性能，分别模拟了流量为20、50、80 m L/min时VRFB内的压力、速度和浓度分布。
图5为双螺旋流道内电解液顺流和逆流流动时的压力分布云图。
由图可知，顺流和逆流流动的压降均随流量增大而增大，且顺流流动压降明显大于逆流流动压降。
双螺旋流道由2个相互缠绕的螺旋流道组成，顺流时两通道内电解液沿同一方向流动，入口与出口距离较远，电解液要完整流经流道全长才能从出口排出；而逆流时两通道内电解液呈反向流动，受螺旋结构的空间约束，入口与对应出口的距离大幅缩短。
同时，流道下方的电极采用多孔结构，为电解液的跨通道渗透提供了物理通道。当电解液以逆流方式流动时，部分电解液从某一通道入口流入后，仅流经较短的距离，便在压差驱动下渗透进入多孔电极，随后未向流道下游继续传输，而是直接从入口附近的另一通道出口流出，即形成了电解液流动的“短路”现象。
图6(b)和图6(c)分别为电解液顺流和逆流流动时的流线图。
由图可知，与顺流流动相比，逆流流动时入口段和出口段电解液跨相邻流道的流线数量明显增多，肋下对流显著增强，说明流动“短路”使得原本应完整参与传质的电解液被分流，一部分提前脱离流道排出电极，导致沿流道长度方向上的流量持续衰减。
而流体的流动阻力与流量呈正相关关系，流量的减少直接降低了流动阻力，同时缩短了部分电解液的流动路径，最终使得逆流流动模式下的系统压降显著低于顺流流动模式。
图7为顺流和逆流流动时负极电极中间截面的速度分布云图。
由图可知，顺流和逆流流动的速度均随流量增大而增大，且顺流流动的速度分布均匀性优于逆流流动。
例如当流量为50 mL/min时，顺流流动大部分区域速度大小约为0.9 mm/s，而逆流流动却在入口段和出口段可获得较顺流流动更高的速度，其中入口段和出口段速度大小为1.2～1.5 mm/s，而其他区域速度大小仅约0.3 mm/s。
这是因为电解液的压力从入口到出口沿程降低，即入口段为高压区，出口段为低压区；对于双螺旋逆流流动，一条螺旋的入口靠近另一条螺旋的出口，这使得高压区紧邻低压区，较大的压差使得入口段和出口段的肋下对流得到强化。
与之相反，在流道的中间区域，2条螺旋通道对应的压力变化趋于平缓，电解液渗透的动力显著不足，因此肋下对流强度明显减弱，这可能造成部分区域因对流薄弱出现轻微的反应物滞留，形成局部传质瓶颈。这种差异化的肋下对流分布，也直接导致了双螺旋逆流流道内反应物浓度分布的差异。
图8为放电过程顺流和逆流流动时的V2＋浓度分布云图。
由图可知，顺流和逆流流动的V2＋浓度分布均匀性均随流量增大而提高，且顺流流动的浓度分布均匀性略优于逆流流动。总体来看，逆流流动时V2＋浓度分布均匀性不如顺流流动。
图9对比了顺流和逆流流动的压降、泵功率、均匀系数及能量效率。
由图可知，逆流流动下电池压降较顺流低40.56%～42.33%，这意味着顺流流动需要消耗更多的泵功来驱动电解液循环，而泵功的额外消耗会直接增加电池系统的整体能耗成本，此仅基于能量效率单一指标，顺流流动更具优势。
但是，这并不能说明顺流流动的综合性能优于逆流流动，因为还有因压降差异导致的泵功消耗影响。
3 双螺旋流道顺流和逆流的泵功率与流量的关系
图10为泵效率取0.9[22]时，双螺旋流道顺流和逆流流动模式下泵功率随流量的变化曲线。选定泵功率范围为0.2～0.8 mW，通过曲线获得2种流动方式下各自对应的流量如表2所示。
在相同泵功率下，由于逆流流动压降更低，因此其可获得较顺流流动更高的流量，而更高的流量将有助于降低浓差极化并提高均匀系数和能量效率。
4 相同泵功率下双螺旋流道顺流和逆流性能分析
图11为泵功率分别为0.2、0.5、0.8 mW时，双螺旋流道顺流与逆流流动下电极内V2＋浓度分布对比。
由图可知，顺流和逆流流动的V2＋浓度分布均匀性均随泵功率增大而提高，且逆流流动的浓度分布均匀性略优于顺流流动。
图12为2种流动方式的均匀系数和能量效率随泵功率的变化曲线。
由图可知，顺流和逆流流动时VRFB的均匀系数和能量效率均随泵功率增大而提高，这是因为泵功率的增大直接提高了电解液流量，强化了电解液在电极内的对流传质，有效减少了反应物滞留区与浓度匮乏区域，降低了浓差极化损失，进而改善浓度分布均匀性。
5 结论
1）电解液在双螺旋流道中呈逆流流动时，会发生流动“短路”现象。相同流量下，该现象虽然会加剧反应物浓度分布不均，即浓差极化，但同时较顺流流动降低了40.56%～42.33%的压降，强化了入口段和出口段的肋下对流，这在一定程度上补偿了浓度分布不均带来的性能损失。
2）相同泵功率下，逆流流动可获得较顺流流动更高的流量。高流量带来的强化传质效应，能进一步优化反应物在电极内的空间分布状态，使得逆流流动的反应物浓度均匀系数比顺流流动高0.40%～1.40%，展现出更优的传质均匀性。
3）相同泵功率下，逆流模式下的VRFB的能量效率比顺流流动高0.16%～2.52%，这说明逆流流动压降降低与流量升高的协同作用，使得泵功损失在总能量消耗中的占比更合理，且浓度均匀性的改善与极化损失的降低对能量效率的提升作用，超越了“短路”现象带来的负面影响。
来源：姬瑞雨,姜鑫,谭祥强,王立敏,曹磊,王硕林,.全钒液流电池双螺旋流道顺流与逆流性能分析【J】.能源研究与管理.
