基于三维数值模拟和机器学习的质子交换膜燃料电池蛇形流场拐角处传输特性分析及角度-曲率优化

《Energy Technology》：Analysis of Transport Characteristics and Angle-Curvature Optimization in Proton Exchange Membrane Fuel Cells Serpentine Flow Field Corners Based on 3D Numerical Simulation and Machine Learning

质子交换膜燃料电池流道拐角结构优化研究，通过贝塞尔曲线构建三种圆角结构（RF/SF/BF），基于3D两相流模型分析显示，合理调整外圆角半径（R?）和内角（θ?）可平衡功率密度提升（最高5.39%）与压力降降低（最大67.71%），优化算法确定R?/θ?为关键参数，最优结构2-3的外内半径比实现性能最优。

　　

摘要

在蛇形流道中，拐角结构显著影响质子交换膜燃料电池的流体流动特性、传质效率以及整体性能。本研究采用贝塞尔曲线构建了三种拐角形状：矩形切口（RF）、半圆形切口（SF）和斜面切口（BF），并利用三维双相流动模型（采用体积法）来分析这些形状对燃料电池性能的影响。研究结果表明，较小的半圆半径有助于提高水的去除效率，但会增加压降；而较大的半圆半径则会产生相反的效果。斜面切口通过改善气体与壁面的撞击作用，提高了流速和传质效率，其中SF-III和BF-III设计分别使峰值电流密度提高了5.46%和4.62%，功率密度提高了3.17%和2.69%。非支配排序遗传算法（Nondominated Sorting Genetic Algorithm-III）的多目标优化研究表明，外曲率半径（R₁）和内角度（θ₂）是关键参数；优化后的配置使功率密度提高了4.88–5.39%，同时压降降低了51.57–67.71%。该研究证明，保持2–3的外内半径比例能够最佳地平衡功率密度和压降，从而实现高效的流场优化。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。