随着全球对碳中和的追求，节能和减排已成为气候控制的核心，推动了可再生能源技术的深入研究。然而，可再生能源的间歇性和波动性限制了其大规模应用，因此迫切需要高效的能源储存解决方案[1,2]。热化学储能（TCES）通过可逆化学反应储存和释放热量，具有高能量密度和长期储存时热量损失微小的显著优势[3]。这些特性使其特别适用于季节性热储存和建筑供暖应用。在典型的建筑应用中，可以在太阳能丰富的时期（如夏季）储存太阳能热能，并在后期释放以满足供暖需求（例如冬季），从而减少热供应与需求之间的不匹配。在各种反应系统中，碳酸钾-水蒸气（K?CO?/H?O）反应对因其高热储存能力和成本效益而被认为是有前景的选择[4,5]。此外，碳酸钾-水蒸气的脱水温度约为93°C[6]，这支持其在建筑规模热能储存中的应用。因此，该反应系统成为当前研究的主要焦点。
对于高效的TCES系统而言，储能反应器是核心单元，其内部的热量和质量传递直接决定了系统的功率密度和整体能源储存效率[7,8]。在各种反应器配置中，板式反应器因其紧凑的结构、高空间利用率和低制造成本而非常适合建筑集成应用[9]。然而，传统的板式设计通常采用简单的通道布局（如Z形），导致温度场不均匀和热传递死区。这些因素阻碍了反应热的移除，引起局部过热，并降低反应速率，最终导致功率输出低和反应周期延长，限制了实际应用[11,12]。为了解决这些问题，有多种策略可以增强热传递以提高热能储存效率。例如，张等人研究了一种结合平板微通道管式换热器的板式TCES反应器，发现优化内部通道设计可将整体热效率从82%提高到90%，同时提高出口水温[16]。Kant等人[17]开发了一个基于K?CO?的TCES反应器的水合过程的CFD模型，并对关键几何变量进行了参数分析，表明反应进程强烈依赖于反应器几何形状。然而，大多数先前的几何优化依赖于试错方法，这既耗时又无法保证接近最优解。因此，需要一种系统性和稳健的反应器几何优化方法来提高基于K?CO?的TCES系统的性能。
近年来，拓扑优化作为一种变革性的设计方法，被广泛应用于热传递和能源储存系统[18, [19], [20]]。该方法自动确定定义设计域内的最佳材料或流动通道分布，以最大化目标性能指标，如热传递率[21, [22], [23]]或温度均匀性[24,25]。大量研究表明，拓扑优化在相变[26, [27], [28]]和热化学储能系统中具有巨大潜力。在相变热储存中，拓扑优化的散热片结构显著减少了充放电时间。例如，Ge等人[24]报告称能量储存时间减少了57.1%，而Yin等人[25]通过调整优化目标提高了温度均匀性17.5%。Wang等人[26]开发了一个双目标瞬态模型，将充放电时间缩短了近三倍，Song等人[27]发现优化后的散热片布置使完全熔化时间减少了39%。同样，Son等人[28]设计了一种三维径向拓扑结构，使熔化和凝固时间分别减少了48.2%和52.2%。
在热化学热储存中，拓扑优化也取得了有希望的结果[29, [30], [31]]。Stengler等人[31]通过优化散热片结构提高了整体反应器的热导率，而Chen等人[32]通过最大化转化率将反应完成时间缩短了63%。Humbert等人[33]通过能量最大化方法进一步将释放能量提高了47%。这些进展共同证明了拓扑优化在克服热化学材料固有低导热性方面的有效性。最近的发展将拓扑优化从二维扩展到三维应用。Pizzolato等人[29]证明，三维优化比二维设计将热释放时间减少了20%，证实了三维配置的优越热管理能力。为了解决复杂拓扑结构带来的制造挑战，You等人[30]使用贝塞尔曲线重建技术实现了高几何精度，同时保持了热性能，从而提高了工程可行性。总体而言，拓扑优化为缓解热储存反应器中的热传递瓶颈提供了有效途径，实现了更高的能量密度、更快的热响应和更好的温度均匀性。目前大多数研究主要集中在热传递增强上，而对冷却通道拓扑的探索有限——这是影响实际系统中广泛使用的板式反应器热传递效率的关键因素。因此，针对冷却通道设计的针对性拓扑优化不足限制了这类反应器的潜力，本研究旨在填补这一空白。
因此，为了设计一种改进的板式TCES反应器，本研究开发了一个将拓扑优化与K?CO?/H?O系统的反应、流体动力学和热传递模拟相结合的设计框架。采用基于梯度的拓扑优化算法获得最佳冷却通道配置，然后评估并将优化后的结构与传统通道设计进行比较。此外，还进行了参数分析，以研究关键操作变量（包括水蒸气分压、冷却剂速度、入口温度和通道体积分数）对拓扑优化反应器性能的影响。
