فصلنامه سیستم های انرژی پایدار

فصلنامه سیستم های انرژی پایدار

بهینه‌سازی سطح مقطع کانال دم‌چلچله‌ای در سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون با الگوریتم ازدحام ذرات: چارچوبی چندهدفه برای ارتقای عملکرد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مکانیک، پردیس البرز، دانشگاه تهران
2 دانشکده مهندسی انرژی و منابع پایدار، دانشگاه تهران
10.22059/ses.2026.416931.1264
چکیده
در این مقاله، چارچوبی جامع برای بهینه‌سازی الگوریتم ازدحام ذرات در پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون با مقطع کانال دم‌چلچله‌ای ارائه می‌شود. هدف اصلی این پژوهش، ارائه روشی چند‌هدفه برای بهینه‌سازی همزمان است که شامل افزایش چگالی جریان، خروجی انرژی و کارایی مدیریت آب، همراه با کاهش افت فشار و تلفات پارازیتیک می‌شود. متغیرهای ورودی مدل بهینه‌سازی شامل دو دسته هستند:۱- شرایط عملیاتی (سرعت ورودی ۱٫۰ تا ۳٫۰ متر بر ثانیه، دمای عملیاتی ۳۲۳ تا ۳۵۳ کلوین، فشار عملیاتی ۱ تا ۳ اتمسفر، و رطوبت نسبی ۴۰ تا ۱۰۰ درصد) و ۲- هندسه کانال (عمق کانال، عرض سطح فوقانی ۰٫۵ تا ۲٫۰ میلی‌متر، عرض سطح تحتانی ۰٫۸ تا ۲٫۵ میلی‌متر، زاویه تماس ۵ تا ۳۰ درجه، و عرض سطح تماس ۰٫۵ تا ۲٫۰ میلی‌متر). معیارهای ارزیابی عملکرد شامل چگالی جریان، ویژگی‌های ولتاژ، چگالی توان، افت فشار، یکنواختی توزیع واکنشگرها و کارایی مدیریت آب هستند. با استفاده از الگوریتم PSO طراحی بهینه‌شده کانال دم‌چلچله‌ای، چگالی جریان متوسط را به ۱۲۱۵٫۳ آمپر بر مترمربع افزایش داده است که معادل بهبود ۲۴٫۸ درصدی نسبت به حالت پایه است. همچنین چگالی توان از ۱۱۸٫۵ به 152٫۳ وات بر مترمربع و کارایی مدیریت آب از ۷۷٫۸ درصد به ۹۲٫۳ درصد رسیده است. این بهبودها در حالی حاصل شده که افت فشار تنها ۲۹٫۸ درصد افزایش یافته است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Particle Swarm Optimization of Dovetail Cross-Section Flow Channels in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: A Multi-Objective Framework for Performance Enhancement

نویسندگان English

Ali Alrubaye 1
Fatemeh Razi Astaraei 2
1 Mechanical Engineering, Energy Conversion, Alborz campus, University of Tehran, Tehran, Iran.
2 School of Energy Engineering and Sustainable Resources, College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

In this paper, a comprehensive framework for optimizing the particle swarm optimization algorithm in proton exchange membrane fuel cells with a dovetail channel cross-section is presented. The main goal of this research is to present a multi-objective method for simultaneous optimization that includes increasing the current density, energy output, and water management efficiency, along with reducing pressure drop and parasitic losses. The input variables of the optimization model include two categories: (1) operating conditions (inlet velocity 1.0 to 3.0 m/s, operating temperature 323 to 353 K, operating pressure 1 to 3 atmospheres, and relative humidity 40 to 100%) and (2) channel geometry (channel depth, upper surface width 0.5 to 2.0 mm, lower surface width 0.8 to 2.5 mm, contact angle 5 to 30 degrees, and contact surface width 0.5 to 2.0 mm). The performance evaluation criteria include current density, voltage characteristics, power density, pressure drop, reactant distribution uniformity, and water management efficiency. The results show that the optimized dovetail channel design increased the average current density to 1215.3 A/m2, which is equivalent to a 24.8% improvement over the baseline. The power density also increased from 118.5 to 152.3 W/m2 and the water management efficiency from 77.8% to 92.3%. These improvements were achieved while the pressure drop increased by only 29.8%.

کلیدواژه‌ها English

proton exchange membrane fuel cells
Particle Swarm Optimization
Dovetail Cross-Section Flow Channels

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مرداد 1405