【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学储能中的液流电池，尤其涉及一种基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法。
技术介绍
1、在众多的储能系统当中，液流电池因其容量设计灵活，安全性好，能量效率高，环境友好等优点被视为一种可靠的储能技术，在大规模储能技术中具有广泛的应用前景。现有的液流电池根据电解液溶剂的类型可分为水系液流电池和非水系液流电池，相对于水系液流电池，非水系液流电池具有更宽的电化学窗口和更高的电流密度，提高了整个储能系统的能量密度。典型液流电池的基本组件包括刻有流道结构的双极板、正负多孔电极、正负电解液和离子交换膜。其中刻有流道结构的双极板作用于电解液在多孔电极中的分布，直接影响液流电池的性能和压降；多孔电极是为氧化还原反应提供了活性位点，是液流电池储能系统充、放电反应发生的场所，并决定了电解液和离子的传输性能。
2、研究者对液流电池的流道结构和多孔电极进行了许多研究，但是单独研究流道结构和多孔电极难以保证两者在协同作用下性能达到最优，因此提出了液流电池流道电极一体化设计，液流电池流道电极一体化设计具有诸多优点，具体体现在：减少单电池厚度从而降低欧姆电阻，提高电堆的体积功率密度；可采用导电塑料作为双极板材料，降低系统成本，增加电堆耐久性；减少反应物的流动体积，增加了电极中的流动速度，从而降低传输损失。液流电池传统的流道结构主要包括平行流道、指形流道和蛇形流道，在多孔电极上直接刻蚀这三种流道结构难以确保电池性能最佳时流道的几何参数，依赖经验设计，费时费力，这导致流道电极一体化的设计仍然很困难。为了克服这一问题，数值优化可
3、拓扑优化是一种可靠的数值优化设计技术，是一种根据给定的边界条件、载荷和约束在给定区域内优化材料分布的数值方法，具有设计自由度高，无尺寸和形状的限制的优点，被广泛应用于传热传质领域的流道结构的设计。
4、目前已公开的专利文献中采用了类似的拓扑优化方法，如专利cn 118094790a提出一种基于拓扑优化的多热源冷板流道优化方法，优化了液冷板的散热性能，具有高效散热、均温性良好的优点。专利cn 116053505a提出了一种仿生复合结构的强传质多孔电极制备方法，该方法制备出的电极材料孔隙率可控，比表面大，传质性能优异，化学稳定性好，使用寿命长，可适应多种电化学反应体系。专利cn 118095008a提出了一种考虑尺寸约束的电池冷板流道拓扑优化方法，该方法实现了电池冷板流道结构的最优设计，在提高电池冷板散热效果的同时优化了电池的工作环境，提升了电池系统的循环性能和寿命。专利cn117638156a提出了质子交换膜燃料电池流场板的拓扑优化构建方法，构建的拓扑流场结构，有效的提高了燃料电池的性能。然而，以上拓扑优化方法都是在散热或者传质方面单独对流道结构的优化设计，而没有将流道与多孔电极结合一起进行协同设计，这难以保证两者在协同作用下的液流电池性能最佳。尤其是高流动阻力低共熔溶剂为电解液的液流电池，其运行过程中的电解液泵功损耗极大的降低了电池运行效率。因此，亟需利用拓扑优化方法，设计流道-电极一体化结构，协同提高电解液流动传输及电化学反应能效。此外，以上的研究只在数值计算层面对流道结构进行优化，并未提及其加工制造，而拓扑优化出来的流道电极一体化结构往往是非常复杂的不规则结构，难以通过简单机械加工生产。而3d打印等加工方法价格昂贵不合适大规模生产，从而降低了优化结果的可行性。基于此，本专利技术提供了一种简化流道电极一体化拓扑优化结构的方法，将不规则的流道电极一体化拓扑优化结构转换为规则的易于设计的流道电极一体化结构，提高了优化结果的可行性。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供一种基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，将拓扑优化算法与液流电池流道电极一体化设计相结合，在多孔电极内生成优化的流道结构，以协同改善液流电池的性能，并基于分形理论计算拓扑优化后的流道结构的分形特征，再根据这些分形特征设计出规则的分形流道，用于加工制造。
2、本专利技术实施例提供的一种基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，包括如下步骤：
3、建立具有多孔电极域、入口域和出口域的三维液流电池正极/负极电极模型，在三维液流电池正极/负极电极模型中耦合电化学反应和流动传质反应控制方程；
4、确定三维液流电池正极/负极电极模型中电解液和多孔电极的物理化学特性参数并确定边界条件；
5、在三维液流电池正极/负极电极模型上耦合基于变密度法的拓扑优化算法，确定拓扑优化参数和设计域，初始化拓扑优化的设计变量，对设计域和非设计域划分不同密度的网格；
6、在多孔电极域添加体积力fb，采用达西插值函数模型描述多孔电极域内的可逆渗透率α与设计变量γ之间的关系；
7、基于可逆渗透率α与设计变量γ之间的关系，在固定输出电压条件下以液流电池放电时输出电流最大为优化目标，建立基于流体流动电化学反应的三维液流电池正极/负极拓扑优化模型；
8、根据三维液流电池正极/负极拓扑优化模型，选择三维拓扑优化求解程序分析求解；
9、进行收敛性判断，当目标函数满足收敛条件时停止计算，输出基于流体流动电化学反应拓扑优化的流道电极一体化结构；
10、基于分形理论描述拓扑优化算法，简化电极内流道的分级结构形态，得到易于加工制造的规则树状流道电极一体化结构。
11、其中，基于分形理论，简化描述拓扑优化计算所形成电极内流道的分级结构形态，设计与拓扑优化结构具有分形相似性并易于加工制造的规则树状流道电极一体化结构。
12、优选地，所述电解液的物理化学参数包括动力黏度μ、密度ρ、离子扩散系数d和状态电荷soc，所述多孔电极的物理化学参数包括孔隙率ε、渗透率k和比表面积a；
13、在入口处设置压力边界条件和浓度边界条件：
14、pin＝c1
15、cr＝c0·(1-soc)
16、co＝c0·soc
17、其中，pin为入口压力，c1表示入口压力值，为常数；c0为初始浓度，cr为还原物浓度，co为氧化物浓度，soc为状态电荷；
18、在出口处设置压力为零边界条件和浓度扩散通量为零边界条件：
19、pout＝0
20、
21、其中，pout为出口压力，i表示活性物质种类，表示活性物质i的有效扩散系数，ci表示活性物质i的浓度，n表示矢量方向；
22、在入口处和出口处以外的外部边界施加无滑移条件和活性物质扩散通量为零条件：
23、
24、其中，p表示压力，i表示活性物质种类，表示活性物质i的有效扩散系数，ci表示活性物质i的浓度；
25、放电/充电过程中，正极/负极电极极板侧施加电势边界条件，正极/负极电极膜侧施加电解质电位边界条件：
26、正极/负极电极极板侧：φs＝v1
27、正极/负极电极本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，所述电解液的物理化学参数包括动力黏度μ、密度ρ、离子扩散系数D和状态电荷SOC，所述多孔电极的物理化学参数包括孔隙率ε、渗透率K和比表面积a；
3.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，采用达西插值函数模型描述多孔电极域内的可逆渗透率α与连续变量γ之间的关系，所述达西插值函数的定义如下：
4.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，在固定输出电压条件下以液流电池放电时输出电流最大为优化目标，目标函数为L，表达式如下：
5.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，根据拓扑优化模型，选择三维求解程序进行分析求解，利用伴随算法进行灵敏度计算，通过移动渐近线优化算法更新设计变量γ。
6.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极
7.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，基于分形理论描述拓扑优化算法，简化电极内流道的分级结构形态，得到易于加工制造的规则树状流道电极一体化结构，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，第一级流道的平均长度/平均宽度计算方法为：测量该级N(N入0/N出0)个分支流道的长度/宽度，求这N个分支流道的平均值，即为初级流道的平均长度/平均宽度。
9.根据权利要求7所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，根据流道占整个多孔电极的比例来计算拓扑优化流道结构的面积ST，计算公式如下：
10.根据权利要求7所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，规则树状结构的各级流道分支的长度和宽度通过以下公式计算得到：
...【技术特征摘要】
1.一种基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，所述电解液的物理化学参数包括动力黏度μ、密度ρ、离子扩散系数d和状态电荷soc，所述多孔电极的物理化学参数包括孔隙率ε、渗透率k和比表面积a；
3.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，采用达西插值函数模型描述多孔电极域内的可逆渗透率α与连续变量γ之间的关系，所述达西插值函数的定义如下：
4.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，在固定输出电压条件下以液流电池放电时输出电流最大为优化目标，目标函数为l，表达式如下：
5.根据权利要求1所述的基于分形理论低共熔溶剂液流电池流道电极设计方法，其特征在于，根据拓扑优化模型，选择三维求解程序进行分析求解，利用伴随算法进行灵敏度计算，通过移动渐近线优化算法更新设计变量γ。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：马强，石惠，徐谦，苏华能，张玮琦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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