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氢燃料电池双极板流场结构多目标优化设计方法1

氢燃料电池双极板流场结构多目标优化设计方法

摘要

氢燃料电池作为清洁能源转换装置的核心技术，其性能优化对推动氢能产业发展

具有重要意义。双极板作为燃料电池的关键组件，其流场结构直接影响电池的电化学性

能、水热管理能力和使用寿命。本报告系统阐述了氢燃料电池双极板流场结构多目标优

化设计方法，建立了涵盖流体动力学、电化学、传热传质等多物理场耦合的数学模型，

提出了基于智能算法的流场结构优化策略。研究结果表明，通过多目标优化设计，双

极板流场的压力分布均匀性可提升35%，排水效率提高28%，电池峰值功率密度增加

15%。本报告提出的优化方法为氢燃料电池双极板设计提供了理论依据和技术支撑，对

促进燃料电池产业化发展具有重要参考价值。

引言与背景

氢能产业发展现状

氢能作为一种清洁高效的二次能源，在全球能源转型中扮演着越来越重要的角色。

根据国际能源署(IEA)发布的《全球氢能进展报告2023》，全球氢能产业规模预计到

2030年将达到5000亿美元，年复合增长率超过15%。中国作为全球最大的氢能生产

国和消费国，已将氢能纳入国家能源发展战略，《氢能产业发展中长期规划

年)》明确提出到2025年氢燃料电池车辆保有量达到5万辆的目标。

氢燃料电池作为氢能利用的关键技术，具有能量转换效率高、零排放、运行噪音低

等优势。在交通领域，氢燃料电池汽车续航里程长、加氢时间短的特点使其成为商用车

电动化的理想选择。在固定式发电领域，氢燃料电池分布式能源系统可提供稳定可靠的

电力供应。随着技术进步和成本下降，氢燃料电池应用场景不断拓展，市场规模持续扩

大。

双极板在燃料电池中的关键作用

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一，承担着分配反应气体、

导出电流、排除产物水、支撑膜电极等多重功能。双极板性能直接影响燃料电池的电化

学性能、机械强度、密封性和使用寿命。在燃料电池堆中，双极板成本占比约为3045%，

重量占比超过60%，是影响燃料电池商业化进程的关键因素。

双极板流场结构设计是决定燃料电池性能的核心技术之一。合理的流场设计可以确

保反应气体均匀分布到催化层，促进产物水的有效排出，维持膜电极适宜的湿度环境，

从而提高电池的电化学性能和稳定性。传统流场设计多依赖经验公式和实验验证，设计

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周期长、成本高，难以满足多目标优化的需求。因此，开发系统化的双极板流场结构多

目标优化设计方法具有重要意义。

多目标优化设计的必要性

氢燃料电池双极板流场设计面临多重性能指标的平衡问题，包括气体分布均匀性、

压力损失、排水效率、电流密度分布、机械强度等。这些指标往往相互制约，如减小流

道尺寸可提高气体扩散速度但会增加压力损失，增加流道数量可改善气体分布但会降

低有效反应面积。传统单目标优化方法难以满足这种多目标、多约束的复杂设计需求。

多目标优化设计方法可以同时考虑多个性能指标，通过建立数学模型和优化算法，

寻找满足特定约束条件下的最优解集(Pareto前沿)。这种方法能够揭示不同设计变量

之间的内在联系，为工程师提供多种可行方案，满足不同应用场景的需求。随着计算流

体力学(CFD)技术的发展和智能优化算法的成熟，多目标优化设计在燃料电池领域的

应用越来越广泛。

研究概述

研究目标与意义

本研究旨在建立氢燃料电池双极板流场结构多目标优化设计方法体系，解决传统

设计方法中存在的效率低、成本高、优化不充分等问题。具体研究目标包括：建立涵盖

流体动力学、电化学、传热传质等多物理场耦合的数学模型；开发适用于双极板流场设

计的高效优化算法；构建流场结构参数与电池性能之间的映射关系；提出面向不同应用

场景的流场优化设计方案。

本研究的理论意义在于丰富燃料电池设计理论体系，推动多物理场耦合建模方法

和智能优化算法在能源转换设备设计中的应用。实践意义在于为燃料电池企业提供系

统化的设计工具，缩短产品开发周期，降低研发成本，提升产品竞争力。据测算，采用

本研究提出的多目标优化设计方法，双极板设计周期可缩短40%，研发成本降低30%，

产品性能提升1520%。

研究范围与边界

本研究聚焦于质子交