耦合响应面技术与多目标遗传算法的PEM电解槽封装结构多参数全局优化

【作者】 章宏宇； 孙国芹；

【机构】 北京工业大学机械与能源工程学院； 怀柔实验室；

【摘要】 本研究针对质子交换膜电解槽在运行过程中因端板受力弯曲变形导致内部多层堆叠结构接触压力分布不均,进而严重影响电化学性能与组件寿命的关键工程问题,开展了从基础载荷确定、电解槽力学响应规律分析到封装策略多参数协同优化的系统性深入研究。研究首先通过电解槽的极化曲线实验与ANSYS Workbench力学仿真相结合的方法,全面探究了封装载荷对电解槽电化学性能和力学性能多重影响。在极化曲线实验中控制封装载荷在25KN至40KN范围内,以5KN为差值的四组不同封装载荷进行测试,结果表明封装载荷存在显著的最优区间,当载荷为30KN时,电解槽在相同电流密度下所需电压最低,能量利用效率最高且经济性最好。封装载荷过小会导致反应区内部组件接触不良从而增大接触电阻与欧姆过电位,而封装载荷过大则会过度压缩气体扩散层降低孔隙率,阻碍物质传输并引发浓差过电位甚至损伤核心组件。基于此实验结论测定的封装载荷范围作为有限元分析的载荷边界条件,通过Workbench平台构建了包含10层堆叠结构的ANSYS有限元仿真模型。仿真表明,端板最大应力集中于螺栓孔及进出气口,且随载荷增加而上升。综合电化学性能与结构安全,30KN的总封装力为最佳封装载荷,可避免低压下接触不良或高压下组件损坏。此外,端板弯曲导致载荷传递不均,使得靠近端板处密封区承担更多载荷,而处于层堆中部区域的反应区受力更大,这种层堆之间传力的不均匀分布将影响电解槽的气密性与寿命。分析单个面内的接触压力分布,仿真分析揭示了反应区面内的接触压力,其边缘的区域显著高于中部区域。提取反应区面上节点的接触压力并计算标准差,发现层堆结构内部接触压力不均匀性也与层堆位置有关,靠近端板的层堆其接触压力不均匀性显著高于中部层堆,且端板自身的弯曲变形是导致这一现象的主要原因。进一步对比了8、12、16、20及24个螺栓等不同封装方案,发现20个螺栓的均匀排布策略在抑制端板变形和提升反应区压力均匀性方面表现最优,因此被选定为后续优化的基准方案。在此基础上,针对单纯依靠均匀布署螺栓难以实现最优力学性能的局限,研究使用Workbench构建了基于弹性底座等效模型的快速仿真平台,开展了螺栓位置坐标与预紧力大小的多参数协同优化。采用等效刚度模型将复杂的流道、扩散层、质子交换膜等组件简化为反应区等效体与密封区等效体,通过力学计算得出反应区等效弹性模量717.25MPa,确定密封区等效弹性模量为140MPa以匹配反应区的最佳电化学压力范围,该简化模型在保证计算精度的前提下大幅降低了计算成本同时节约了时间。在试验设计模块,本研究采用最优拉丁超立方采样OptLHD与中心复合设计CCD相结合的试验设计方法,总计生成了81组试验点。在考虑端板几何结构与载荷边界条件双重轴对称特征的前提下,利用四分之一对称子模型将设计变量简化为3个独立的尺寸变量D1、D2和D3,4个独立的封装载荷变量F1到F4,并严格限定螺栓仅允许沿径向轨迹移动以满足装配可行性约束。为了精确捕捉设计参数与端板长短轴最大变形之间高度非线性的映射关系,研究采用径向基函数神经网络构建端板长短轴最大变形Y1、Y2与设计变量的响应面模型,该模型无需预设函数形式即可自适应地学习输入输出之间的复杂规律。响应面分析结果显示:在尺寸参数D1、D2方面,长轴与短轴的最大变形呈现显著的负相关效应,即抑制单一轴向的翘曲往往会导致垂直方向变形反向增加,两者变化趋势相反;而在封装力参数F2、F3方面,端板变形与载荷之间表现为强线性正相关关系,长轴和短轴变形均随封装力增大而近似线性增长。灵敏度分析结果表明螺栓预紧力的变化对端板变形的影响程度远大于螺栓位置的变化,灵敏度数值处于不同量级。最后,应用多目标遗传算法MOGA对螺栓封装策略进行了全局寻优,经过总计超3万次的迭代计算,优化试验成功收敛并输出了三组最优候选方案,优化结果揭示了一种创新的非均匀载荷分配策略,即大幅减小角点及短边区域的螺栓载荷,并将释放的载荷份额重新分配至长边区域,同时配合长轴螺栓位置向中轴线靠拢的几何调整。验证结果显示相较于初始的均匀封装策略,优化后的一种新策略使端板长轴最大变形降低了17.6%,短轴最大变形降低了6.02%,有效抑制了端板翘曲,从而能显著提升电解槽内部接触压力的均匀性。综上所述,本研究通过从封装载荷确定到封装结构多参数优化的系统性工作,不仅明确了30KN为实验用PEM电解槽的最佳封装载荷、20个螺栓构成的螺栓组为最佳基础布局,更利用ANSYS的多参数优化模块提出了一种通过非均匀载荷分配与螺栓孔尺寸位置调整来最小化端板变形的先进封装策略。该策略保持总封装力在安全工作范围内,通过显著卸载角点及短边区域的螺栓载荷大小并将释放的载荷份额重新分配至长边区域,同时配合螺栓位置的径向内收调整,使得端板长短轴最大变形均得到了有效降低,显著提升了端板的封装性能。研究设计的仿真与优化平台为高性能质子交换膜电解槽的结构设计与工程应用提供了坚实的理论依据与技术支撑,对于延长电解槽长期服役寿命、提高制氢效率具有重要的工程应用价值。更多还原