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基于拓扑优化的PEMFC波形流场性能研究OA

Performance study of PEMFC waveform flow field based on topology optimization

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针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)传统流场传质不均、水淹等问题,首次提出基于拓扑优化的波形流场设计方法.建立二维多孔介质模型生成波形流道,经贝塞尔曲线光滑重构后,通过三维多相模型验证性能.结果表明:拓扑优化波形流场(案例3)在0.6 V电压下平均电流密度提升3.4%,最大功率密度提高3.6%,电流密度分布均匀性优化12.7%;波形结构增强横向传质,催化层氧浓度提高2.4%(案例1),流道液态水浓度降低11.2%(案例3).此外,拓扑单元优化虽降低局部扩散功耗,但多弯曲串联导致实际压降剧增,揭示单元优化与流态演化矛盾.研究结果为拓扑优化在流场设计中的应用提供了新思路.

s:Aiming at the problems of uneven mass transfer and water flooding in the traditional flow field of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC),a waveform flow field design method based on topology optimization was proposed for the first time.A two-dimensional porous medium model was established to generate the waveform flow channel,and the performance was verified by a three-dimensional multiphase model after smooth reconstruction of Bessel curves.The results show that the topology-optimized waveform flow field(Case 3)improves the average current density by 3.4%,the maximum power density by 3.6%,and the uniformity of the current density distribution by 12.7%at a voltage of 0.6 V.The waveform structure enhances the transverse mass transfer,the oxygen concen-tration in the catalytic layer is increased by 2.4%(Case 1),and the liquid water concentration in the flow channel is reduced by 11.2%(Case 3).In addition,although topological cell optimization reduces the local diffusion power consumption,multiple bends in series lead to a dramatic increase in the ac-tual pressure drop,revealing a contradiction between cell optimization and flow evolution.This study provides new ideas for the application of topology optimization in flow field design.

程天才;王晓钰;赵亓;王鹏凯;杨冰璨

内蒙古工业大学 机械工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051||内蒙古自治区低空技术与工程重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051内蒙古工业大学 机械工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051||内蒙古自治区低空技术与工程重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051内蒙古工业大学 机械工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051||内蒙古自治区低空技术与工程重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051内蒙古工业大学 机械工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051||内蒙古自治区低空技术与工程重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051内蒙古工业大学 机械工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051||内蒙古自治区低空技术与工程重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010051

信息技术与安全科学

质子交换膜燃料电池拓扑优化波形流场传质强化压降特性

proton exchange membrane fuel celltopology optimizationwaveform flow fieldmass transfer enhancementpressure drop characteristics

《电源技术》 2026 (4)

733-741,9

内蒙古自治区重点研发和成果转化计划项目(2025YFDZ0069)内蒙古自治区研究生科研创新项目(KC2025043S)

10.3969/j.issn.1002-087X.2026.04.018

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