如何设计好钒液流电池的电堆结构
全钒液流电池储能系统主要由电堆、电解液储供单元、电池管理系统、功率转换系统、能量管理系统等部分组成。电堆是钒液流电池(VRFB)的最关键的组件，决定了VRFB的功率大小。如何设计好一款性能优异的VFRB电堆，需要了解电堆的基本构成、电堆中电解液的分布、共用管路的设计、密封部件材料选择及设计、端板及导流板的设计、电堆的集成等因素。
【基本构成】
VRFB电堆通常由数节或数十节单电池按照压滤机的形式组装而成的。其主要部件包括：端板、导流板、集流板、双极板、电极框、电极、离子传导膜及密封材料。一般各单电池之间采用串联的形式，由双极板连接相邻两节电池之间的正、负极，并在电堆的两端由集流板输出电压，从而形成具有一定电压等级的VRFB电堆。电堆的工作电流由实际运行的电流密度和电极面积决定，电堆串联的单电池节数决定电堆的输出电压和功率，电堆的额定功率密度由额定工作电流密度和单节电池的电压决定。
【电解液的分布】
对于VRFB来说，电解液在电池内部的流动分布是影响电堆性能的一个关键因素。电解液由电堆的入口管路流入，进入共用管路，并逐一并联流入各单电池电极框内的分支流道，而后流经电极参与电化学反应，再从出口分支流道和共用管路经出口管路流出电堆。其中对电堆性能影响最大的因素是电解液在电极框内的分支管路与电极内的流动。如果电极中的电解液分布不均，则会产生极大的浓差极化，降低电堆工作电流密度。而且局部的高过电位容易造成关键材料的降解或腐蚀，缩短电堆的使用寿命。因此，在电堆设计时需要有效地调控电极中电解液均匀分布的流场结构。
【共用管路设计】
共用管路负责连接电堆中的各节单电池，起到将电解液均匀地分配到每节单电池中的作用。因而其流动形式的选择及结构参数的设计直接影响电解液在电极中的分布均匀性、从而影响电堆中单电池的电压均匀性，进而影响电堆的性能、稳定性及使用寿命。常用的电解液在电堆共用管路中的流动形式为两种：U型和Z型,二者的主要差异在于电解液进出电堆的流动方式。
【密封材料与结构】
VRFB是由离子传导膜分隔正、负两极侧的电解液，需要在电堆内需要密封技术来防止两极电解液之间互相渗透，降低影响电堆的库仑效率和储能容量，提升运行安全。同时还需要通过密封技术，防止电解液向电堆外侧泄漏。因此，选择合适的密封材料、密封方式是液流电堆设计的关键。VRFB常用的密封材料为橡胶材料，要求密封材料具有优良的耐腐蚀性和化学稳定性及弹性。密封结构方式一般分为：面密封与线密封。采用面密封时，密封面积大、组装压力大、对组装平台的要求高，密封效果好。但面密封结构对密封材料的使用量大，密封材料成本高。如果采用线密封，则对电堆的双极板及密封槽等部件的加工精度和装配精度要求很高，技术难度大。
【端板与导流板设计的注意事项】
端板作为电堆最外侧的部件，起到紧固电堆的作用，通常为铸铁板或者铝合金板等。电堆的端板要求有优良的刚性强度和加工平整度。刚性强度不好的端板容易产生挠曲变形，造成电极内的碳毡压缩比和电解液分布的不均匀，增大电堆的欧姆极化，进而影响电堆性能。因此，高刚性强度、轻质和低成本材料是设计选择端板材料的三个条件。在设计VRFB电堆端板结构时，应在满足设计刚度要求的条件下，采用加强筋的结构形式，尽量减小端板材料用量和其质量。同时，也可可以通过多目标优化算法来布置加强筋的位置。导流板是将流入电堆的电解液按照设计要求，流入共用管路，实现均匀分配电解液的目的。导流板的材料为PP或者硬聚氯乙烯(UPVC)等耐腐蚀的塑料，同时较大的厚度也可以起到增大端板刚度的辅助作用。
【电堆集成】
双极板、密封件、电极框、电极、离子传导膜、电极、电极框、密封件等叠合在一起构成了VRFB的一节单电池，数节或数十节单电池以压滤机的方式叠放在一起并在两侧装有集流板、端板就组装出VRFB电堆。电堆组装过程中主要分两步：①定位，电堆组件随着单电池节数的增多显著增加，一个30 kW的电堆通常大约由50节单电池组成，组件有数百件，将这些组件逐一地按照定位结构进行组装，可以避免错位，以保证电解液的均匀分配和防止漏液。②装配的压力均匀性，在压力机加压时，施压面与端板的平行度及加压速度极为重要，平行度不好或者运行速度过快都会导致电堆的变形，甚至组件弹出等问题出现。
【参考文献】
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原文始发于微信公众号（武汉之升新能源订阅号）：【科普干货】如何设计好钒液流电池的电堆结构
