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第1期 林林等：质子交换膜燃料电池流场设计最佳化的反问题求解方法 ,111. 附近，较弱的肋下对流效应又导致该区域液态水含 传统的燃料电池流场设计参数研究，该方法可用于 量增加，总体排水性变差 燃料电池多参数的流场设计研究，进而得到最佳的 流场设计方案，用该方法对反应面积为9mm×9 ·一最佳化设计 对比设计 H,=0.1mm mm高度渐变的蛇型流场进行最佳化，将流道各弯 头处的高度作为搜寻变量（待优化参数），以电池输 出的功率密度的倒数作为目标函数，通过搜寻目标 函数最小值，得到流道各弯头处的最佳化高度（最 佳化设计参数)，研究结果表明，最佳的蛇型流场设 计应由渐缩型的中间流道和渐扩型的出口流道组 56 成，其性能比传统蛇型流场提高了11.99%.通过对 y/mm 图9最佳设计和对比设计在肋条4下方扩散层中气相组分的速度 肋下对流效应的分析，揭示出渐缩型的中间流道通 Fig 9 Flw velcity of gaseous species on the yz cmoss"section of the 过强化肋下对流增强了液态水从多孔电极的排除能 cathode gas diffusion layer under rb 4 力，降低了氧气传输阻力，而渐扩型的出口流道则可 防止燃料短路而造成燃料浪费，除流场最佳化外， 0.18 该最佳化方法亦可用于质子交换膜燃料电池操作参 0.16 0.14 数或其他结构参数的最优化研究， 0.12 0.10 0.08 参考文献 0.06 0.04 [1]YiB L Fuel Celt Principle Technology and Applica tion Bei 0.02 jing Chem ical Industry Press 2003 (衣宝廉.燃料电池原理·技术·应用·北京：化学工业出版社， 图10最佳设计和对比设计阴极扩散层与催化层界面上的液态 水分布(s为液态水饱和浓度)：(a)最佳化设计；(b)对比设计 2003) Ha=0.1mm [2]Wheeler D J Boville L J Start up of pmton exchange membrane fiuel cell USA Patent 6127056.2000 Fig 10 Liquid water distribution on the in terface beteen the cath- [3]W ang C Y.Fundamnental models for fiel cell engineering Chan ode gas diffusion layer and catalyst layer (s stands for the liqui water Rew2004,104(10):4727 satiration):(a)optinal design (b)design with Ha=0.1mm [4]Tao W Q.Min C H.LiX L et al Parameter sensitivity exami nation and discussion of PEM fuel cell sinulation model valida- 2.5最佳的蛇型流场设计准则 tion:Part II Results of sensitivity analysis and validation of the 质子交换膜燃料电池使用聚全氟磺酸类的薄膜 model J Power Soumes 2006 160(1):374 作为传导质子的组件，必需维持膜具有高的含水量 [5]LiH.Tang Y.WangZ et al A review ofwater flooding issues in 才可保证高的质子传导能力，为防止膜脱水，通常将 the proton exchange manbrane fiel cell J Power Soures 2008 电池入口燃料加湿，另一方面，阴极电化学反应将 178(1).103 [6]W ang X D.Duan Y Y.Yan W M.Numerical study of cell per 产生液态水，当过多液态水积累在阴极多孔层孔隙 fomance and beal transport phencmena n PEM fuel cells w ith va 内，氧气向多孔电极的传递阻力增大，因此水管理是 rious flow channel area ratios J Power Soures 2007.172(1): 影响质子交换膜燃料电池性能的核心因素 265 本文的反问题最佳化研究表明：渐缩型的通道 [7]W ang X D.Duan Y Y.Yan W M.Novel serpentinebaffle flow 2~4可强化燃料在流道中的速度及肋下对流强度， fiell design for proton exchange menbrane fuel cells J Power Sou2007,173(1):210 因而提高液态水在流道和多孔层中的排除能力，降 [8]Wang X D.Zhang XX.Yan W M.et al Detem ination of the 低氧气传输阻力，强化电池性能：然而对于出口流 optinal active ama for proton exchange membrane fuel cells with 道，尽管最佳设计的肋下对流仍强于传统设计，但为 parallel interigitated or sepentne designs Int J Hydrogen Ener 避免过强的肋下对流导致燃料短路”，出口流道将 g200934(9):3823 转变为渐扩型 [9]Versteeg H K.Malasekera W.An In troduction to Canputational Flid Dynam ics New Yor John W ily Sons Ino 1995 3结论 [10]Cheng C H.Chang M H.A sinplified conjugate gradientmethod for shape ilentification based on themal dat Numer Heat 本文发展了反问题求解的最佳化方法，不同于 Transfer Part B 2003.43(5):489第 1期 林 林等： 质子交换膜燃料电池流场设计最佳化的反问题求解方法 附近较弱的肋下对流效应又导致该区域液态水含 量增加总体排水性变差． 图9 最佳设计和对比设计在肋条4下方扩散层中气相组分的速度 Ｆｉｇ．9 Ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｇａｓｅｏｕｓｓｐｅｃｉｅｓｏｎｔｈｅｙ-ｚｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｃａｔｈｏｄｅｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｌａｙｅｒｕｎｄｅｒｒｉｂ4 图 10 最佳设计和对比设计阴极扩散层与催化层界面上的液态 水分布 （ｓ为液态水饱和浓度 ）：（ａ）最佳化设计；（ｂ）对比设计 Ｈ4＝0∙1ｍｍ Ｆｉｇ．10 Ｌｉｑｕｉｄｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｔｈ- ｏｄｅｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｌａｙｅｒａｎｄｃａｔａｌｙｓｔｌａｙｅｒ（ｓｓｔａｎｄｓｆｏｒｔｈｅｌｉｑｕｉｄｗａｔｅｒ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）：（ａ） ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ；（ｂ） ｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈＨ4＝0∙1ｍｍ 2∙5 最佳的蛇型流场设计准则 质子交换膜燃料电池使用聚全氟磺酸类的薄膜 作为传导质子的组件必需维持膜具有高的含水量 才可保证高的质子传导能力为防止膜脱水通常将 电池入口燃料加湿．另一方面阴极电化学反应将 产生液态水当过多液态水积累在阴极多孔层孔隙 内氧气向多孔电极的传递阻力增大因此水管理是 影响质子交换膜燃料电池性能的核心因素． 本文的反问题最佳化研究表明：渐缩型的通道 2～4可强化燃料在流道中的速度及肋下对流强度 因而提高液态水在流道和多孔层中的排除能力降 低氧气传输阻力强化电池性能；然而对于出口流 道尽管最佳设计的肋下对流仍强于传统设计但为 避免过强的肋下对流导致燃料 “短路 ”出口流道将 转变为渐扩型． 3 结论 本文发展了反问题求解的最佳化方法不同于 传统的燃料电池流场设计参数研究该方法可用于 燃料电池多参数的流场设计研究进而得到最佳的 流场设计方案．用该方法对反应面积为 9ｍｍ×9 ｍｍ高度渐变的蛇型流场进行最佳化将流道各弯 头处的高度作为搜寻变量 （待优化参数 ）以电池输 出的功率密度的倒数作为目标函数通过搜寻目标 函数最小值得到流道各弯头处的最佳化高度 （最 佳化设计参数 ）．研究结果表明最佳的蛇型流场设 计应由渐缩型的中间流道和渐扩型的出口流道组 成其性能比传统蛇型流场提高了 11∙9％．通过对 肋下对流效应的分析揭示出渐缩型的中间流道通 过强化肋下对流增强了液态水从多孔电极的排除能 力降低了氧气传输阻力而渐扩型的出口流道则可 防止燃料短路而造成燃料浪费．除流场最佳化外 该最佳化方法亦可用于质子交换膜燃料电池操作参 数或其他结构参数的最优化研究． 参 考 文 献 ［1］ ＹｉＢＬ．ＦｕｅｌＣｅｌｌ—ＰｒｉｎｃｉｐｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｂｅｉ- ｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ2003 （衣宝廉．燃料电池--原理·技术·应用．北京：化学工业出版社 2003） ［2］ ＷｈｅｅｌｅｒＤＪＢｏｖｉｌｌｅＬＪ．Ｓｔａｒｔｕｐｏｆｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌｃｅｌｌ：ＵＳＡＰａｔｅｎｔ6127056．2000 ［3］ ＷａｎｇＣＹ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｌｓｆｏｒｆｕｅｌｃｅｌｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈｅｍ Ｒｅｖ2004104（10） ：4727 ［4］ ＴａｏＷ ＱＭｉｎＣＨＬｉｕＸＬｅｔａｌ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｅｘａｍｉ- ｎａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＰＥＭ ｆｕｅｌｃｅｌｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｖａｌｉｄａ- ｔｉｏｎ：ＰａｒｔＩＩ．Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｍｏｄｅｌ．ＪＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ2006160（1）：374 ［5］ ＬｉＨＴａｎｇＹＷａｎｇＺｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｗａｔｅｒｆｌｏｏｄｉｎｇｉｓｓｕｅｓｉｎ ｔｈｅｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ．ＪＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ2008 178（1）：103 ［6］ ＷａｎｇＸＤＤｕａｎＹＹＹａｎＷ Ｍ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｃｅｌｌｐｅｒ- ｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｌｏｃａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎＰＥＭｆｕｅｌｃｅｌｌｓｗｉｔｈｖａ- ｒｉｏｕｓｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌａｒｅａｒａｔｉｏｓ．ＪＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ2007172（1）： 265 ［7］ ＷａｎｇＸＤＤｕａｎＹＹＹａｎＷ Ｍ．Ｎｏｖｅｌｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ-ｂａｆｆｌｅｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｄｅｓｉｇｎｆｏｒｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌｓ．ＪＰｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ2007173（1）：210 ［8］ ＷａｎｇＸＤＺｈａｎｇＸＸＹａｎＷ Ｍｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌａｃｔｉｖｅａｒｅａｆｏｒｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌｓｗｉｔｈ ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄｏｒｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅｄｅｓｉｇｎｓ．ＩｎｔＪＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒ- ｇｙ200934（9）：3823 ［9］ ＶｅｒｓｔｅｅｇＨ ＫＭａｌａｓｅｋｅｒａＷ．ＡｎＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ＳｏｎｓＩｎｃ1995 ［10］ ＣｈｅｎｇＣＨＣｈａｎｇＭＨ．Ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｏｎｊｕｇａｔｅ-ｇｒａｄｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒｓｈａｐｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌｄａｔａ． ＮｕｍｅｒＨｅａｔ ＴｒａｎｓｆｅｒＰａｒｔＢ200343（5）：489 ·111·