清洁能源已成为未来能源转型的主导力量，氢能是其主要支柱之一[1]。氢与电力的协同互动将改变电网能源利用的格局和配置[2]。制氢方式有很多种，水电解作为一种极具前景的绿色制氢方法脱颖而出[3,4]。
当前用于制氢的水电解技术主要包括四种类型：碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、阴离子交换膜电解（AEM）和固体氧化物电解（SOE）。ALK是目前应用最广泛的，但其存在电流密度性能差和维护成本高等缺点。SOE需要高温运行，对材料有特殊要求，且稳定性较低。AEM成本过高。与其他方法相比，PEM是配合清洁能源电网系统运行的最佳选择。与可再生能源结合时，PEM技术将发挥至关重要的作用[[5], [6], [7]]。
此前，大量研究探讨了结构参数对质子交换膜电解槽（PEMEC）性能的影响。最初，一维（1D）模型被广泛用于研究PEMEC参数与性能之间的关系[[8], [9], [10]]。1D模型的不足促成了2D和3D PEMEC模型的创建。Onda等人[11]首次提出了简化的2D模型，但该模型过于简化，无法应对复杂场景。三维模型能更好地模拟PEMEC内部的热量和质量传递现象。Wang等人[12]构建了三维非等温模型，研究了各种参数（入口温度、流速和结构厚度）对PEMEC性能的影响，发现性能对温度最为敏感。Mao等人[13]使用优化算法研究了各种参数对PEMEC性能的影响。结果表明，电压、进料水温度和膜厚度对电流密度和温度均匀性指数影响最大。
双极板具有多种功能，包括结构支撑、水输送和热传递，是PEMEC中的关键组件。双极板流道设计约占总成本的50%。传统流道结构包括平行流道、蛇形流道和指交指流道。Toghyani等人[14]对比了多种蛇形流场与平行流场，得出结论认为双路蛇形流场性能最佳。由于传统流道在水分布和压降方面存在固有局限，研究人员探索了其他流道设计。Sun等人[15]改进了蛇形流场，电流密度提高了60%。Li等人[16]基于多通道蛇形流场开发了梯形流场，对气泡去除有积极效果。Wang等人[17]设计了两种同心螺旋场结构，展现出比传统设计更优越的综合性能。Wang等人[18]构建了指交射流孔流场，在降低欧姆电阻和增强质量传递方面显示出显著优势。一些研究人员已突破传统流道框架，例如采用三维钛网结构[19]作为流道，或使用泡沫镍[20]作为流道肋，为PEMEC结构设计提供了新思路。
近年来，受自然启发，许多PEMFC研究人员利用仿生结构设计了流道。大部分研究将流道结构模仿动脉[21,22]、叶脉和肺部[23]。这些改进增强了质量和热量传递，改善了电池内的水分和温度均匀性。此外，一些研究人员提出了结构简化的仿生流配置。Yan等人[24]引入了水滴形肋流道结构，与传统流场相比，显著改善了水饱和度和温度均匀性。
上述流道研究均使用固定参数进行。因此，优化算法的应用为研究人员开辟了新途径[25]。一些研究将仿生学与优化算法相结合。Cai等人[26]设计了仿生波形结构并优化了其波形，最终将功率密度提高了2.2%。Wang等人[27]通过算法优化了叶脉流场结构。该优化设计显著改善了电流密度均匀性，但对温度的改善效果有限，仅提高了1.3%。Zhuang等人[28]细化了平行流道的尺寸参数（宽度和高度），缓解了气体停滞问题。值得注意的是，该优化并未显著提升整体性能，仅在低电压下的压降性能方面取得了明显改善。考虑到平行流道本身已展现出优异的压降性能，该优化的实际价值有限。Zhang等人[29]在蛇形流道弯折处加入了弧形肋，并使用算法优化了圆柱形肋的参数，大幅改善了氧气去除效果，然而工程结构复杂且显著增加了压降。其他研究人员采用拓扑优化[[30], [31], [32], [33]]进行流道设计，与传统流道相比展现出优异的水输送和热传递性能。然而，拓扑优化得到的流道结构复杂多变，类似于血管和自然河床，制造难度大。
综上所述，PEMEC和PEMFC的流场研究主要以增强水分和温度均匀性为目标，从而促进质量和热量传递。目前，大多数研究无法同时实现结构简洁和性能显著改善。本研究采用基于平行流道的逐步优化方法，优化入口处的水分分布，重点在于各通道流体输送速率的一致性。提出了一种新型PEMEC流道设计，比大多数优化结构更简单，同时显著提高了温度分布均匀性。
