近日，机械工程与力学学院左青松教授团队在质子交换膜燃料电池研究中取得重要进展。相关研究成果以《不同流场类型下质子交换膜燃料电池膜电极结构的比较性能及多目标优化》（Comparative performance of PEMFCs with different types of flow fields and multi-objective optimization of membrane electrode structure）为题，发表在国际著名学术期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal，中科研一区TOP期刊IF:13.6）。我校硕士研究生王广源、博士研究生沈壮为论文共同第一作者，左青松教授为论文通讯作者，湘潭大学为第一完成单位和唯一通讯单位。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为氢能利用的重要装置之一，具有启动快、能量密度高、零污染等优势，但其性能提升仍面临诸多挑战。现有研究多聚焦于单一类型流场的独立优化，缺乏对不同流场类型与膜电极参数协同作用机制的系统分析，制约了燃料电池性能的进一步提升。
基于此，左青松教授团队首次提出将流场结构类型纳入膜电极参数设计体系，构建了“蛇形盘绕流场（SCFF）”与“蛇形平行流场（SPFF）”对比模型，并开发了“CFD数值模拟-方差分析（ANOVA）-响应面方法（RSM）-非支配排序遗传算法（NSGA-II）”协同分析框架，系统揭示了流场类型与膜电极参数的耦合影响规律。研究发现：催化层厚度是影响PEMFC性能的最关键因素。增大催化层厚度可提升反应速率，但过厚会导致传质阻力增加，需通过多目标优化实现性能平衡。中心扩散流场（SCFF）综合性能显著优于传统流场（SPFF）。优化后的SCFF输出功率密度达7570.31 W/m²，较SPFF提升2.1%；其浓度极化过电位降低0.6%，膜水含量更接近理想值（11.45），水分布均匀性指数提高0.6%。膜电极制造成本有效降低。SCFF优化的催化层与质子交换膜厚度分别为0.0142 mm与0.0106 mm，较SPFF减少41.5%与58.9%，为低成本高性能燃料电池开发提供了新路径。
该研究首次实现了流场结构与膜电极参数的协同优化，突破了传统独立优化范式的局限。通过定量分析浓度极化过电位，揭示了反应动力学与传质热力学的耦合机制，为燃料电池多物理场协同设计提供了理论支撑。优化后的中心扩散流场在输出性能、传质效率及水管理能力上的全面提升，有望推动质子交换膜燃料电池在交通、储能等领域的规模化应用。
该研究成果是左青松教授团队在能源动力领域研究的又一突破。近年来，团队已在Energy Conversion and Management，Energy，Fuel等国内外权威期刊发表了一系列高水平科研成果，得到了国家自然科学基金面上、湖南省杰出青年基金等多项科研项目支持，并荣获2024年湖南省自然科学二等奖。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162866
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