一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法，属于液流电池领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法


[0001]本专利技术属于液流电池领域，具体涉及一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法
。

技术介绍

[0002]随着风能
、
太阳能等间歇性可再生能源的快速发展，大型储能系统越来越受到关注
。
目前，氧化还原液流电池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之一
。
液流电池的整体能量效率是其应用过程中的关键因素，高能量效率有利于节约能源
、
降低成本
。
现有的措施主要通过改进优化液流电池的电极
、
膜
、
双极板
、
电解液等组件，来提升系统的能量效率
。
[0003]传统的液流电池使电解液直接通过电极，会导致电解液在电极中流动不均匀
、
电池效率低且泵功损失大
。
因此，由质子交换膜燃料电池设计发展而来的具有流道的氧化还原液流电池，在越来越受到关注
。
其中，交叉型流道和蛇型流道是最常使用的流道结构
。
通过优化流场结构来提升液流电池的整体运行性能，是目前的研究热点之一
。
[0004]为了优化液流电池的流场结构，许多基于经验的设计与模拟实验结合验证的电池流道结构方案被提出
。
也有研究利用机器学习方法，来进行流道结构优化设计
。
基于经验的设计方法能够优化流场结构，一定程度上提升电池的运行性能，但较难获得最优的方案；机器学习方法能够获得较优方案，但学习计算的时间成本较高，且适用范围有限
。
[0005]影响液流电池整体性能的因素主要有电解液在电极中的渗入量
、
渗入分布均匀性以及进出口压降
。
运用解析解计算分析液流电池运行过程中各参数从而选择优化电池流道结构是一种更简便
、
更具指导意义的方法
。
在交叉型流道中，通过入口进入的电解液被分配到多个支流道中，且支流中的电解液全部渗入电极发生反应，交叉型流道的解析解已经被提出
。
而对于蛇型流道，由于电解液在流经蛇型流道时，一部分通过电极渗透，一部分直接通过流道，这使得电解液的流动状况难以准确估计，尚未提出较精确且适应性广的解析解
。
[0006]总之，在对液流电池的流道结构进行选择与优化时，通常采用交叉型流道与蛇型流道在不同工况下的性能比较及两者结合或变换的方式，一般采用模拟仿真与实验验证的方法来验证方案有效性
。
而基于解析解进行流道结构的选择与优化设计既能减少时间成本又能扩大适用范围，提出精确的解析解与比较优化方案是一项很有价值的研究
。

技术实现思路

[0007]针对以上提出的现有研究中存在液流电池的蛇型流道精确解析解缺乏导致现有流道比较优化方案适用范围有限等问题，本专利技术提出一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法
。
该选择优化方法应用于可再生能源电池储能领域，在液流电池的流道选择及优化方面，通过研究蛇型流道电解液流动规律提出一个精确性高且适用范围较广的解析解，结合现有交叉型流道的电解液流动规律解析解，比较及优化流场结构，找出液流电池较优整体性能的方案
。
[0008]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0009]本专利技术提供了一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法，具体如下：
[0010]S1、
利用建立的二维蛇型流道解析模型，计算得到采用蛇型流道的液流电池电解液流动规律的解析解；
[0011]S2、
基于步骤
S1
所得蛇型流道电解液流动规律解析解，得到蛇型流道液流电池中流道尺寸与该电池运行过程中各项参数之间的关系，在不同工况下对所述蛇型流道液流电池的流道结构参数进行优化设计；
[0012]S3、
结合交叉型流道电解液流动规律解析解以及步骤
S2
所得结果，分析比较特定参数下交叉型流道及蛇型流道的适用工况，以确认目标液流电池的流道类型
。
[0013]作为优选，所述步骤
S1
中，还通过
COMSOL Multiplication
建模仿真验证所得解析解的准确性
。
[0014]作为优选，所述步骤
S1
具体如下：
[0015]S11、
通过建立单个蛇形流道解析模型，得到流道中电解液流量
Q
c
(x)
与电极中电解液渗入量
Q
e
及压降
Δ
P
解析公式，具体如下：
[0016][0017]Q
e
(x)
＝
d[Q
c
(x)]ꢀꢀꢀ
(2)
[0018][0019]其中，变量
x
为研究点到蛇型流道转角处的距离，为研究点到蛇型流道转角处的距离，
D
＝
Q
u
＝
Q
c
(0)
，
μ
为电解液粘度，
w
为流道间距，
r
为流道宽度，
k
为电极渗透率，
δ
为电极厚度，
d
为流道的水利直径，
h
为流道高度，
ρ
为电解液密度，
K
u
为转角损失系数，
Q
u
为蛇型流道转角处的流量，
Q
为电解液进口流量，
L
为流道水平部分长度；
[0020]其中，单个蛇形流道解析模型满足以下假设：电解液为不可压缩流体，流动过程中温度与模拟过程中设定相同；电解液在相邻流道间通过电极的流动是垂直的，电解液在流道中的流动是充分发展的，只考虑流道及电极平面方向的流动，垂直方向的流动假设均匀
。
[0021]S12、
根据步骤
S11
所得单个蛇形流道的解析公式，得到多个蛇型流道组成的流场结构；多个蛇型流道的流场结构中，电解液流动情况为进出口对称，中间部分流动情况相同且其进口流量
Q
取为入口流道转角中的出口流量
Q
u
，计算方法为：
[0022]进口及出口
U
型流道流经压降：
[0023][0024]此处取
[0025]除进口
、
出口外其他
U
型流道流经压降：
[0026][0027]此处取
[0028]S13、
利用所述步骤
S12
中多个蛇形流道的解析公式，得到不同结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法，其特征在于，具体如下：
S1、
利用建立的二维蛇型流道解析模型，计算得到采用蛇型流道的液流电池电解液流动规律的解析解；
S2、
基于步骤
S1
所得蛇型流道电解液流动规律解析解，得到蛇型流道液流电池中流道尺寸与该电池运行过程中各项参数之间的关系，在不同工况下对所述蛇型流道液流电池的流道结构参数进行优化设计；
S3、
结合交叉型流道电解液流动规律解析解以及步骤
S2
所得结果，分析比较特定参数下交叉型流道以及蛇型流道的适用工况，以确认目标液流电池的流道类型
。2.
根据权利要求1所述的一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，还通过
COMSOL Multiplication
建模仿真验证所得解析解的准确性
。3.
根据权利要求1所述的一种基于解析解的液流电池流道选择优化方法，其特征在于，所述步骤
S1
具体如下：
S11、
通过建立单个蛇形流道解析模型，得到流道中电解液流量
Q
c
(x)
与电极中电解液渗入量
Q
e
及压降
Δ
P
解析公式，具体如下：
Q
e
(x)
＝
d[Q
c
(x)]
ꢀꢀꢀ
(2)
其中，变量
x
为研究点到蛇型流道转角处的距离，为研究点到蛇型流道转角处的距离，
D
＝
Q
u
＝
Q
c
(0)
，
μ
为电解液粘度，
w
为流道间距，
r
为流道宽度，
k
为电极渗透率，
δ
为电极厚度，
d
为流道的水利直径，
h
为流道高度，
ρ
为电解液密度，
K
u
为转角损失系数，
Q
u
为蛇型流道转角处的流量，
Q
为电解液进口流量，
L
为流道水平部分长度；
S12、
根据步骤
S11
所得单个蛇形流道的解析公式，得到多个蛇型流道组成的流场结构；多个蛇型流道的流场结构中，电解液流动情况为进出口对称，中间部分流动情况相同且其进口流量
Q
取为入口流道转角中的出口流量
Q
u
，计算方法为：进口及出口
U
型流道流经压降：此处取除进口
、
出口外其他
U
型流道流经压降：
此处取
S13、
利用步骤
S12
中多个蛇形流道的解析公式，得到不同结构参数下的电解液在电极中的渗入量
Q
e
与总压降
Δ
P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晨，罗岩松，郑梦莲，吕文睿，王鹏飞，申正民，孙婧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：