文章簡(jiǎn)介

（1）研究提出了一種二維拓?fù)鋬?yōu)化與曲率控制相結(jié)合的漸進(jìn)式設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分階段調(diào)節(jié)參數(shù)逐步優(yōu)化流道彎曲區(qū)域的邊界形態(tài)。

（2）研究全面對(duì)比分析優(yōu)化模型性能，發(fā)現(xiàn)TS-III在峰值電流密度和功率密度方面表現(xiàn)最優(yōu)。同時(shí)引入效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則平衡傳質(zhì)效率與壓降，揭示TS-II在綜合性能上的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際流道設(shè)計(jì)提供了多維度優(yōu)化依據(jù)。

研究背景及意義

在全球追求碳中和目標(biāo)的背景下，以可再生能源為主導(dǎo)、各類電池為主要電源的第三次能源革命正在進(jìn)行。氫能作為零碳能源載體，在能源轉(zhuǎn)型中至關(guān)重要。氫燃料電池憑借清潔、高效的優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在交通和工業(yè)工程中應(yīng)用廣泛。然而，PEMFC的性能受多種因素限制，其核心部件雙極板的蛇形流場(chǎng)在彎曲區(qū)域存在傳質(zhì)復(fù)雜、轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。現(xiàn)有研究中的優(yōu)化方法存在成本高、精度低等缺陷。因此，本文旨在探索新方法優(yōu)化PEMFC流道結(jié)構(gòu)，提升其性能。

主要研究?jī)?nèi)容

本文提出“2D拓?fù)?曲率優(yōu)化”漸進(jìn)設(shè)計(jì)方法，以蛇形流場(chǎng)PEMFC實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)構(gòu)建單電池模型，明確各組件幾何和材料參數(shù)。通過(guò)設(shè)定假設(shè)條件與邊界條件，利用質(zhì)量、動(dòng)量、電荷等守恒方程建立數(shù)學(xué)模型。采用不同密度網(wǎng)格劃分方案并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，選擇網(wǎng)格4進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬極化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，證實(shí)了本文所采用的幾何模型和仿真方法的可行性與有效性。

圖1 模型驗(yàn)證

采用變密度法中的材料屬性理性近似模型（RAMP），基于穩(wěn)態(tài)N-S方程建立流體拓?fù)鋬?yōu)化模型，以最小化彎曲流道區(qū)域能量耗散為目標(biāo)，通過(guò)控制曲線曲率優(yōu)化邊界形態(tài)，構(gòu)建三維流道和PEMFC單電池模型。利用拉丁超立方采樣法和 Kriging 代理模型，結(jié)合遺傳算法（GA）和粒子群優(yōu)化算法（PSO），優(yōu)化彎曲區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到多種優(yōu)化后的流道模型。

圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工藝流程圖

對(duì)比不同優(yōu)化模型與驗(yàn)證模型的輸出性能，包括極化曲線、電流密度曲線和功率密度曲線。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的流道在峰值輸出性能上有顯著提升，TS-III模型提升最為明顯，峰值電流密度提高4.72%，峰值功率密度提高3.12%。

圖3 不同流道下PEMFC的輸出性能

在傳質(zhì)性能方面，彎曲區(qū)域的優(yōu)化結(jié)構(gòu)加速了流場(chǎng)內(nèi)的對(duì)流和擴(kuò)散，促進(jìn)了氧氣和水的傳輸與分布，減少了水的積累，提升了電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)的范圍和效率。從壓降和溫度來(lái)看，優(yōu)化模型壓降和流速更高，電化學(xué)反更徹底高效。通過(guò)效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則（EEC）綜合評(píng)估，TS-II在平衡傳質(zhì)效率和壓力損失方面整體性能最佳。

圖4 流道上部彎曲區(qū)域的氧氣分布

綜上所述，拓?fù)?曲率漸進(jìn)優(yōu)化的彎角結(jié)構(gòu)通道有效提升了PEMFC的輸出性能，改善了氧氣和水的傳輸性能。綜合考慮性能提升和壓降之間的關(guān)系，TS-II整體性能最優(yōu)。

原文信息

Progressive topology-curvature optimization of flow channel for PEMFC and performance assessment

Naixiao Wang, Youliang Cheng*, Xiaochao Fan, Rui Ding, Honglian Zhou, Chaoshan Xin, Ruijing Shi

Abstract:

The curved bending regions of serpentine flow channels play a crucial role in mass transfer and the overall performance of the flow field in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). This paper proposes a “2D Topology-Curvature Optimization” progressive design method to optimize the bend area structures, aiming to enhance PEMFC performance. Through numerical simulations, it compares the topology-curvature optimization model with both the algorithm-based optimization model and a validation model, and analyzes the mass transfer, heat transfer characteristics, and output performance of PEMFC under different flow fields. The results indicate that the optimized structures improve convection and diffusion within the flow field, effectively enhancing the transport and distribution of oxygen and water within the PEMFC. Performance improvements, ranked from highest to lowest, are TS-III > MD-G (Model-GA) > MD-P (Model-PSO) > TS-II > TS-I. Among the optimized models, TS-III (Topology Structure-III) exhibits the greatest increases in peak current density and peak power density, with improvement of 4.72% and 3.12%, respectively. When considering the relationship between performance improvement and pressure drop using the efficiency evaluation criterion (EEC), TS-II demonstrates the best overall performance.

Cite this article:

Naixiao Wang, Youliang Cheng, Xiaochao Fan, Rui Ding, Honglian Zhou, Chaoshan Xin, Ruijing Shi. Progressive topology-curvature optimization of flow channel for PEMFC and performance assessment. Front. Energy,

https://doi.org/10.1007/s11708-025-0978-4

來(lái)源: Engineering前沿