受竹子启发的流道设计提升了无人机燃料电池在农业应用中的性能和能效

《International Journal of Hydrogen Energy》：Bamboo-inspired flow channels enhance UAV fuel cell performance and economy for agricultural applications

质子交换膜燃料电池（PEMFC）竹子启发式流道设计提升农业无人机性能与经济性，三维模拟证实流道优化增强多物理场传输，参数优化显示长度（7mm）、宽度（0.4mm）、数量（4）组合使峰值功率密度提升10.67%，在高温高湿环境下优势显著，海口相较拉萨功率密度提高16.02%，年节省农药开支1.9亿元。

　　随着科技的不断进步，无人机（UAVs）在农业领域的应用日益广泛。然而，当前的燃料电池技术在能量密度和续航能力方面仍存在一定的局限性，这在一定程度上阻碍了其在农业中的大规模应用。针对这一问题，本研究提出了一种受竹子结构启发的流道设计，并将其集成到空气冷却质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极侧。通过三维模拟分析，研究发现这种设计能够有效改善多物理场传输过程，从而提升燃料电池的整体性能。参数优化结果显示，增加流道长度、宽度以及竹节数量，能够进一步提高功率输出和传输均匀性。与传统的并行流道相比，经过优化的竹节式流道在特定条件下实现了更高的峰值功率密度，为无人机在热带气候环境下的运行提供了更强的支撑。

在农业生产中，传统方式存在劳动效率低、生产成本高以及资源浪费严重等问题，这些因素严重影响了农业的可持续发展。近年来，无人机作为一种新型工具，逐渐成为提升农业生产效率的重要手段。无人机能够实现对作物的实时监测、精准喷洒农药以及定点施肥，极大地提高了农业生产的智能化水平。在一些国家的农业应用中，例如马来西亚，无人机辅助农业已被证明可以显著提高作物产量；而在日本，高性能无人机则有助于提升劳动力的生产效率。这些案例表明，无人机在农业领域的潜力巨大，但其应用仍然受到能源系统的制约。

目前，大多数农业无人机采用锂离子电池作为动力来源。然而，锂离子电池存在续航时间短、充电周期长以及电池废弃物处理带来的环境问题等固有缺陷。一般来说，锂离子电池的能量密度约为200瓦时/千克，但其支持的飞行时间通常不超过30分钟。此外，由于电池的重量限制，锂离子电池难以满足农业无人机对长时间、高频率任务的需求。这些局限性促使人们寻求替代能源系统，以提供更高的能量密度和更长的续航能力，从而更好地适应现代农业的发展需求。

氢燃料电池作为一种有前景的清洁能源技术，具有高能量密度、零碳排放以及快速加注等优势，为农业无人机提供了有吸引力的替代动力来源。相比传统电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够显著延长无人机的飞行时间，甚至达到200小时以上。此外，燃料电池在充电过程中减少了停机时间，提高了运行效率。在热带地区，农业无人机的运行环境通常具有较高的湿度和温度，这对燃料电池的稳定运行提出了更高的要求。氢燃料电池能够通过空气冷却和压缩氢气的高比能特性，维持稳定的氧气供应和热湿平衡，从而提高其在高温高湿环境下的持续运行能力和可靠性。这使得氢燃料电池在农业无人机的应用中展现出更大的潜力。

氢燃料电池在农业无人机中的应用通常分为液体冷却和空气冷却两种类型，具体取决于其热管理系统的设计。对于农业无人机而言，由于需要轻量化结构和高机动性，系统重量成为关键限制因素。虽然液体冷却燃料电池能够提供更稳定的热控制，但其复杂的结构和辅助组件的额外重量限制了其在农业领域的应用。相比之下，空气冷却燃料电池具有更简洁的结构，其阴极侧流道直接暴露在外部空气中，从而实现高效的散热和氧气供应。这种设计不仅降低了系统重量，还提升了运行效率，使其成为农业无人机应用的更优选择。

尽管燃料电池驱动的农业无人机具有广阔的前景，但其在实际农业环境中的应用仍处于起步阶段。区域气候的多样性对燃料电池的运行提出了不同的挑战，特别是在湿度、温度和风速等环境因素变化较大的地区。在这些条件下，燃料电池必须应对复杂的多物理场传输问题，这可能会影响其性能和运行稳定性。因此，迫切需要优化燃料电池系统内的多物理场传输过程，以满足农业无人机对高性能运行的要求。

在空气冷却、开放式阴极的PEMFC系统中，流道的优化以及气体、水分和热的耦合管理对于无人机的应用至关重要。一些研究尝试通过改进流道设计来提升燃料电池的性能，例如，Peng等人设计了一种倒梯形流道，有效改善了气体、水分和热的传输控制，并在不增加电池堆重量的前提下，提升了质量功率密度约18.9%。然而，这些研究未能充分考虑实际无人机运行工况对燃料电池边界条件的影响。随后，研究者引入多孔介质来优化流道结构，并在更贴近实际运行条件的环境中分析了多相/热行为。尽管如此，由于流道设计带来的压降导致的寄生损失以及多孔介质的耐久性问题仍未得到彻底解决。

此外，多种能源设备的选择也使得经济效率成为PEMFC-UAV商业化应用中的重要考量因素。目前，针对无人机燃料电池的实际输出性能和经济效率的同步优化研究仍然较少。因此，本研究以竹节式流道为设计范例，利用三维数值模拟优化PEMFC内部的多物理场传输过程，并评估其在不同地区的运行性能及对应的农业经济效益。通过这一研究，为燃料电池驱动的农业无人机在精准农业中的发展和应用提供了坚实的理论基础和技术支持。

在具体设计中，传统的并行流道容易在高电流密度下发生液态水积聚，导致严重的浓度极化现象，并显著降低输出功率。为了解决这一问题，本研究设计了一种受竹子结构启发的流道/流场模型（如图1a和S1所示）。竹子由多个节段和节间组成，每个节段相对独立，这有助于提高结构的稳定性和传输的可控性。基于这一结构特点，我们设计了具有竹节式分段结构的流道，以改善燃料电池的多物理场传输过程。通过三维模拟分析，我们发现这种设计能够有效提升燃料电池的运行效率，并改善其在复杂环境下的适应能力。

研究结果表明，流道的几何参数和结构配置在调节燃料电池内部多物理场传输过程中起着至关重要的作用。我们以流道长度为1毫米、宽度为1毫米、竹节数量为3的配置作为基准案例。与传统的并行流道相比，这种配置在模拟条件下提升了峰值功率密度约2.17%。这一结果表明，竹节式流道在结构设计上具有显著优势，能够有效提升燃料电池的性能。进一步的参数优化分析显示，随着流道长度、宽度和竹节数量的增加，燃料电池的输出功率和传输均匀性得到进一步改善。这一趋势为燃料电池在农业无人机中的应用提供了重要的理论依据。

在热带地区，由于气候条件的特殊性，如高湿度、高温度以及多变的风速，燃料电池的运行面临更大的挑战。在这些条件下，燃料电池需要应对更加复杂的多物理场传输问题，这可能会影响其性能和运行稳定性。因此，优化燃料电池系统内的多物理场传输过程，以适应这些环境因素，成为提升其在热带农业环境中运行能力的关键。研究结果表明，竹节式流道在高湿度和高温度条件下，能够显著提升燃料电池的运行性能，同时减少运行中的寄生损失，提高其在复杂环境下的适应性。

本研究通过三维数值模拟，对竹节式流道的多物理场传输过程进行了系统分析，并结合实际运行条件，评估了燃料电池在不同地区的性能表现。结果表明，竹节式流道在优化后的条件下，能够有效提升燃料电池的输出功率密度，使其在热带气候环境下的运行能力显著增强。同时，通过分析不同地区的运行数据，我们发现燃料电池在热带地区（如海南）的运行性能优于高原地区（如拉萨），这表明其在不同气候条件下的适应性存在差异。这种差异对于农业无人机的部署具有重要意义，特别是在不同地理区域的农业应用中，需要根据当地气候条件优化燃料电池的设计。

此外，研究还评估了燃料电池在农业中的经济价值。通过分析实际应用数据，我们发现燃料电池驱动的无人机在喷洒农药和施肥等任务中，能够显著降低运行成本。以海南为例，使用燃料电池驱动的无人机进行芒果和橡胶等作物的喷洒作业，预计每年可减少农业支出约1.9亿元。这一结果表明，燃料电池不仅在性能上具有优势，同时在经济上也具备可行性，为农业无人机的商业化应用提供了重要的支持。

本研究通过引入竹节式流道设计，优化了燃料电池的多物理场传输过程，提升了其在农业无人机中的运行性能和经济价值。这一设计不仅能够改善燃料电池的气体传输和热管理，还能够减少运行中的寄生损失，提高其在复杂环境下的适应性。通过三维模拟分析，我们能够更全面地理解流道结构对燃料电池性能的影响，并为实际应用提供科学依据。同时，通过评估不同地区的运行数据，我们能够更准确地预测燃料电池在农业中的应用前景，并为不同地理区域的部署提供优化建议。

总的来说，本研究在燃料电池设计方面取得了重要进展，为农业无人机在精准农业中的应用提供了新的思路和技术支持。通过优化流道结构，我们不仅提升了燃料电池的性能，还改善了其在复杂环境下的适应能力，使其能够更好地满足农业无人机对长时间、高频率任务的需求。此外，研究还强调了经济效率在燃料电池商业化应用中的重要性，为未来农业无人机的推广和应用提供了坚实的理论基础。这些成果表明，燃料电池驱动的农业无人机在精准农业中具有广阔的应用前景，同时也为农业生产的可持续发展提供了新的解决方案。