《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Chain-inspired flow field design and multi-objective optimization for enhanced performance of proton exchange membrane fuel cells
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•提出了一种链启流场（CIFF）以改善 PEMFC 性能。•CIFF 中的周期性收缩 - 扩张区域增强了局部流动扰动。•与传统蛇形流场相比，CIFF 的峰值功率密度提高了 18.78%。•采用结合 ANN 和 NSGA-III 的框架进行多目标优化。•优化 CIFF 的运行条
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提出了一种链启流场（CIFF）以改善 PEMFC 性能。
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CIFF 中的周期性收缩 - 扩张区域增强了局部流动扰动。
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与传统蛇形流场相比，CIFF 的峰值功率密度提高了 18.78%。
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采用结合 ANN 和 NSGA-III 的框架进行多目标优化。
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优化 CIFF 的运行条件可进一步提升电堆的整体性能。
引言
近几十年来，随着化石燃料广泛使用导致的气候变化和环境污染日益严重，确保替代能源的紧迫性不断增强 [1], [2]。氢能作为一种丰富、高效且低碳的可再生能源，已引起广泛关注 [3]。近期关于氢燃料内燃机的研究进一步展示了氢作为清洁能源载体的广泛潜力 [4], [5]。作为利用氢的电化学能量转换装置，PEMFCs 发电时仅产生水和热作为副产品。其优点——包括高效率、快速启动和零排放——表明其在交通、分布式发电和便携式电源方面具有广泛应用前景 [6], [7]。然而，其商业化应用仍面临诸多挑战，包括性能和寿命。
PEMFC 的一个关键组件双极板集成了表面流道，能够实现反应物气体分布、液态水排出和散热 [8]。因此，通道结构直接决定了这些功能的效率。目前，常见的流场包括平行 [9], [10]、蛇形 [11], [12]、交指 [13], [14] 和波形 [15], [16] 流场。研究表明，平行流场存在气流速度不足的问题，导致液态水扫除能力差且容易产生“水淹”，从而限制了性能 [17]。相比之下，Kerkoub 等人 [18] 的一项研究证实，在给定的通道 - 梁宽比下，蛇形设计由于其优越的强制对流和除水能力，优于平行和交指设计。因此，众多研究人员致力于探索新的增强方案并优化蛇形设计，以挖掘更大的性能潜力。缩短蛇形结构长度可增强膜含水率和电流密度均匀性 [19]，而延长通道长度可增强梁下强制对流，促进反应物输送并减少水积聚 [20]。此外，增加通道数量也被证明可以改善反应物分布，使峰值功率密度提高 22.6% [21]。在通道内引入矩形挡板 [22] 或设计波形结构 [23] 可以改善物质传输，而波形蛇形配置使峰值功率密度提高 17.8%。此外，多通道蛇形流场通过强化梁下对流，显著增强了反应物浓度、温度和液态水分布的均匀性 [24]。进一步研究发现，在三通道蛇形流场中加入连续障碍物 [25] 或子通道 [26] 可以通过产生局部压力差来有效增强反应物气体传输。仿生学的发展也为流场设计提供了新思路。一些研究开发了基于鱼鳞结构 [27]、肺结构 [28] 和叶脉结构 [29] 的仿生流场，增强了气体扰动并改善了传质能力，与传统设计相比，峰值功率密度分别提高了 8.13%、10.87% 和 19.2%。这些改进主要归功于相应仿生结构的传输增强特征。鱼鳞启流场采用周期性排列的弧形鳞片单元以促进重复的流动转向和局部扰动，而肺启和叶脉启流场则通过分支或分层路径改善反应物分布。然而，现有仿生流场研究主要侧重于复制自然结构，而协同结合仿生结构的“局部扰动”能力与蛇形流场优势的设计仍研究不足。
此外，鉴于燃料电池运行参数与流场几何形状之间复杂且非线性的相互依赖关系，仅依靠有限的模拟数据和物理机制分析很难确定最佳运行范围。近年来，机器学习和智能优化算法的快速发展为解决此类多变量和难耦合的优化问题提供了强大工具。一些研究应用了基于人工神经网络（ANN）的代理模型来估计挡板通道的压降和除水行为，验证了该方法的高精度和高效性 [30]。Li 等人 [31] 和 Zou 等人 [32] 分别采用单目标和多目标遗传算法优化单通道流场内的挡板参数，提升了局部电流和可用功率输出的均匀性。此外，ANN 已与粒子群优化耦合，共同设计流场和 GDL 孔隙率布局，使峰值功率密度提高 16.7% [33]。类似地，采用 ANN 代理模型与非支配排序遗传算法相结合，确定每通道的最佳挡板高度，使净功率输出提高 4.6% [34]。此外，将圆形射流引入 PEMFC 阴极流场，并使用 NSGA-III 结合 TOPSIS 进行优化，实现了电流密度提高 64.04% 和流动阻力降低 39.07% [35]。这种代理辅助框架也被证明可显著减少优化周期 [36]。这些研究表明，使用 ANN 代理模型替代耗时的数值模拟，结合多目标优化算法，已成为流场优化的主流趋势。
借鉴自行车链条的传动结构，本研究通过在传统蛇形流场（CSFF）中纳入周期性重复的链源单元，提出了一种新型链启流场（CIFF）。与上述仿生流场相比，CIFF 的独特之处不在于简单复制链条的几何外观，而在于将其销钉、滚子和链板的结构特征抽象为沿连续蛇形路径的一系列收缩 - 扩张区域。这种集成设计不仅诱发了重复的流动加速、减速和再分布，从而增强了局部流动扰动和对流传质，还保留了蛇形配置的连续反应物输送能力。随后进行数值模拟以比较 CIFF 和 CSFF 的传质特性和除水性能。接着，采用与 NSGA-III 算法耦合的 ANN 代理模型对 CIFF 运行条件进行多目标优化。本研究为高功率密度 PEMFC 的仿生流场设计和运行条件优化提供了有益的见解。
章节摘要
几何模型
所提出的链启流场（CIFF）源于传统蛇形设计。在保持整体回流路径、总通道长度和深度等参数一致的同时，它复制了自行车链条“销钉 - 滚子 - 链板”的铰接形态，以创建具有周期性扰动特征的流道。如图 1 所示，所提出的配置包括通道中心线上的圆柱销、侧壁上的滚子型弧线以及
网格独立性验证
为了评估离散误差，使用 HyperMesh 构建了五种结构化网格（1,692,800；2,221,800；2,750,800；3,068,200；和 3,385,600 个单元）。对膜电极组件应用了局部 y 方向细化（每个功能层不少于 4 层），并调整了流道和双极板区域的网格密度。评估了每种方案的电流密度收敛性（图 3）。当单元数量达到
结果与讨论
以下分析首先比较 CIFF 与 CSFF 的整体电化学和流动相关性能指标，揭示了 CIFF 启用的反应物气体协同垂直和横向增强机制。随后，使用 ANN 和 NSGA-III 算法对关键运行参数进行多目标优化，以确定理想运行条件，验证 CIFF 在改善 PEMFC 性能方面的优势。
结论
本研究针对 CSFF 在高电流密度运行下梁下区域反应物供应不足和液态水去除效率有限的问题，提出了一种新型链启流场。进行数值模拟以研究所提出流场的传质机制和输出性能，同时采用结合 ANN 代理模型与 NSGA-III 的多目标优化框架来优化其运行条件。该
CRediT 作者贡献声明
谢亚: 撰写 - 初稿，验证，调查。 黄英: 撰写 - 审查与编辑，监督，资源，方法学，概念化。 刘文浩: 项目管理，形式分析，数据整理。 杨振华: 可视化，软件。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了 中国贵州省自然科学基金 的支持：黔科合平台（项目编号：JSZX [2025] 013）和黔科合基础（项目编号：ZK [2024] Yiban 076）。
谢亚 | 黄英 | 刘文浩 | 杨振华
