提升質子交換膜燃料電池效能：流道設計的創新最佳化

在全球邁向碳中和的浪潮中，第三次能源革命正以再生能源為驅動力，並透過各類電池技術的支援，逐步改變我們的能源結構。氫能作為零碳能源載體，被視為應對全球氣候變遷及實現能源系統脫碳的理想媒介。其中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）以其高效能與低排放的特性，成為極具潛力的綠色能源發電技術。然而，PEMFC的效能仍受到動力學特性、功率密度及成本等因素的限制。一項新研究旨在透過最佳化PEMFC的流道設計，以提升其整體效能。

在《Frontiers in Energy》期刊上發表的研究中，程友亮及其團隊提出了一種二維拓撲-曲率最佳化的漸進式設計方法，用於最佳化PEMFC中蛇形流道的彎曲區域結構。此方法結合了拓撲最佳化與曲率最佳化，旨在改善燃料電池的質量傳遞與整體效能。研究人員透過數值模擬，將拓撲-曲率最佳化模型與基於演演算法的最佳化模型及驗證模型進行比較，並分析了不同流場條件下PEMFC的質量傳遞、熱傳遞特性及輸出效能。

研究結果顯示，最佳化後的結構顯著提升了流場內的對流與擴散效果，改善了氧氣與水在PEMFC內的傳輸與分佈。效能提升的排名從高到低依次為TS-III > MD-G（Model-GA）> MD-P（Model-PSO）> TS-II > TS-I。在最佳化模型中，TS-III（拓撲結構-III）表現出最高的峰值電流密度與峰值功率密度提升，分別達到4.72%與3.12%。此外，若以效率評估準則（EEC）考量效能提升與壓降之間的關係，TS-II則展現出最佳的整體效能。

這項研究為PEMFC的設計最佳化提供了寶貴的方法，不僅能顯著提升其效能，更能在設計過程中快速且準確地生成最佳化結構模型，大幅減少時間與試錯成本。此研究成果將有助於推動氫燃料電池在各領域的應用，為全球邁向碳中和的目標貢獻一份力量。