先进质子交换膜燃料电池阴极气体通道布局的拓扑优化
计算物理
2025-09-23 v1
摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的输出依赖于阴极气体通道内的传输行为。当前的设计仍不完善，因为它们通常依赖于对现有布局的启发式修改或设计者的直觉，性能欠佳。本研究提出采用拓扑优化方法，在无先验假设的情况下重新设计 PEMFC 阴极气体通道布局。优化目标是在流道中最大化反应物浓度并最小化功率耗散。该问题在一个三维半电池模型中求解。为了计算上的可处理性，还实现了一个降阶的、深度平均的二维模型。优化后的拓扑结构相比传统基准，在提高电流密度的同时降低了能量耗散。在入口速度为 0.15 m/s 时，压降比蛇形布局降低了 46.7%，但比平行布局高 28.2%。在优化后的通道内，氧气以更高的局部速度流动，使得反应物在整个域内的输送更加均匀。相对于蛇形布局，平均电流密度提高了 20.9%，且标准差降低了 4.9%。在优化过程中更侧重于耗散最小化，会产生更复杂、更曲折的通道拓扑。这种设计灵活性使得发现非常规但高效的布局成为可能。
引用
@article{arxiv.2509.16619,
title = {Topology optimization of cathode gas channel layout in advanced proton exchange membrane fuel cells},
author = {Zahra Kazemi and Kamran Behdinan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.16619},
year = {2025}
}