论文标题：Progressive topology-curvature optimization of flow channel for PEMFC and performance assessment

期刊：Frontiers in Energy

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

发表时间：23 Oct 2024

DOI：10.1007/s11708-025-0978-4

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文章简介

（1）研究提出了一种二维拓扑优化与曲率控制相结合的渐进式设计方法，通过分阶段调节参数逐步优化流道弯曲区域的边界形态。

（2）研究全面对比分析优化模型性能，发现TS-III在峰值电流密度和功率密度方面表现最优。同时引入效率评价准则平衡传质效率与压降，揭示TS-II在综合性能上的优势，为实际流道设计提供了多维度优化依据。

研究背景及意义

在全球追求碳中和目标的背景下，以可再生能源为主导、各类电池为主要电源的第三次能源革命正在进行。氢能作为零碳能源载体，在能源转型中至关重要。氢燃料电池凭借清洁、高效的优势，在多个领域得到应用，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）在交通和工业工程中应用广泛。然而，PEMFC的性能受多种因素限制，其核心部件双极板的蛇形流场在弯曲区域存在传质复杂、转换效率低等问题。现有研究中的优化方法存在成本高、精度低等缺陷。因此，本文旨在探索新方法优化PEMFC流道结构，提升其性能。

主要研究内容

本文提出“2D拓扑-曲率优化”渐进设计方法，以蛇形流场PEMFC实验模型为基础构建单电池模型，明确各组件几何和材料参数。通过设定假设条件与边界条件，利用质量、动量、电荷等守恒方程建立数学模型。采用不同密度网格划分方案并进行网格独立性验证，选择网格4进行数值模拟，并将模拟极化曲线与实验数据对比，证实了本文所采用的几何模型和仿真方法的可行性与有效性。

图1 模型验证

采用变密度法中的材料属性理性近似模型（RAMP），基于稳态N-S方程建立流体拓扑优化模型，以最小化弯曲流道区域能量耗散为目标，通过控制曲线曲率优化边界形态，构建三维流道和PEMFC单电池模型。利用拉丁超立方采样法和 Kriging 代理模型，结合遗传算法（GA）和粒子群优化算法（PSO），优化弯曲区域结构参数，得到多种优化后的流道模型。

图2 结构优化的工艺流程图

对比不同优化模型与验证模型的输出性能，包括极化曲线、电流密度曲线和功率密度曲线。结果显示，优化后的流道在峰值输出性能上有显著提升，TS-III模型提升最为明显，峰值电流密度提高4.72%，峰值功率密度提高3.12%。

图3 不同流道下PEMFC的输出性能

在传质性能方面，弯曲区域的优化结构加速了流场内的对流和扩散，促进了氧气和水的传输与分布，减少了水的积累，提升了电池内电化学反应的范围和效率。从压降和温度来看，优化模型压降和流速更高，电化学反更彻底高效。通过效率评价准则（EEC）综合评估，TS-II在平衡传质效率和压力损失方面整体性能最佳。

图4 流道上部弯曲区域的氧气分布

综上所述，拓扑-曲率渐进优化的弯角结构通道有效提升了PEMFC的输出性能，改善了氧气和水的传输性能。综合考虑性能提升和压降之间的关系，TS-II整体性能最优。

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

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通讯作者简介

程友良，男，1963年11月生，汉族，湖北荆州人，华北电力大学动力工程系教授、博士生导师，现为中国可再生能源学会氢能专业委员会会员。毕业于上海大学上海市应用数学与力学研究所流体力学专业，获工学博士学位；中国科学院力学研究所力学学科博士后；澳大利亚新南威尔士大学工程学院土木与环境工程系水研究中心访问学者。

长期从事清洁能源利用理论与技术、工程热物理及其它学科交叉、流体动力学理论与应用、流体设备与节能、应用数学等领域的教学与科研，先后为博士、硕士研究生和本科生讲授《水动力学》、《氢能系统工程》、《氢能概论》、《氢能科学与工程前沿专题》、《可再生能源理论及其应用专题》、《高等工程流体力学》、《水波理论及应用》、《流体力学》、《流体机械》、《高等数学》、《线性代数》、《复变函数》、《数学物理方程与特殊函数》以及《概率论和数理统计》等工程数学的分支课程。

目前已负责或主研包括国家自然科学基金和“863”课题在内的纵横向项目20余项，公开发表学术论文100余篇，被SCI、EI收录30余篇，获发明专利授权10余项（其中1项国际发明专利）、实用新型和软著40余项。参与的项目曾获国家教委科技进步二等奖，是省级优秀课程主要参加者，获2015/2016学年度河北省优秀硕士学位论文指导教师奖，指导的研究生和本科生在全国各类科技创新大赛中多次荣获一等奖。

作为项目负责人和主要参加者，近期已完成和正在承担的主要项目有：“阳极结构变化对可打印染料敏化太阳能电池效率的影响研究 ”“燃料电池测试数据解析”，“5～300kW海洋潮流能发电机高可靠复合材料叶片的研发与制造”；“团队协同作用下研究生的研究性教学探索”；“太阳能吸收式热泵数值模拟研究”；“单罐斜温层混合蓄热装置结构优化及蓄放热性能研究”；“新型分段式风力发电塔架数值模拟研究”；“空冷岛结构优化及效率研究”等。

现主要研究方向有“电解制氢原理与技术”、“燃料电池材料、系统和应用”以及“氢能综合系统”等。目前主要致力于包括氢能在内的可再生能源新能源的开发与利用等方面研究。

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