"三叶草型逆流双极板设计显著提升高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)功率密度与长期稳定性"

为解决传统蛇形并流双极板在高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)中导致的燃料分布不均、温度梯度大等问题，台湾清华大学团队创新设计了三叶草型逆流双极板。通过对称低阻流道与逆流换热设计，在反应面积扩大至154 cm2 时实现44%功率密度提升，且48小时运行后功率衰减仅1%。该研究为大型HT-PEMFC系统提供了兼具高性能与长寿命的流场优化方案。

　　

在全球能源转型背景下，高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)因其对一氧化碳的高耐受性和易与重整器集成等优势，成为氢能利用的重要技术路径。然而当反应面积扩大时，传统蛇形流道设计的双极板暴露出致命缺陷——燃料浓度和温度分布不均导致性能急剧下降，这成为制约HT-PEMFC商业化应用的"阿喀琉斯之踵"。

台湾清华大学的研究团队独辟蹊径，从自然界三叶草形态获得灵感，开发出革命性的双极板设计。该团队发现，传统蛇形并流设计在20 cm²
以上反应面积时会出现明显的"边缘效应"：流道末端的燃料浓度不足引发局部反应停滞，而中心区域又因产物堆积导致"热失控"。更严峻的是，这种不均匀性在电池堆叠时会引发"短板效应"，单个电池的失效可能引发整个系统的崩溃。

研究采用多学科交叉方法，主要技术包括：1）通过计算流体动力学模拟优化三叶草型流道拓扑结构；2）采用真空环境下的圆形电池设计实现热绝缘；3）使用BASF公司的Celtec?-P系列PBI膜制备膜电极组件(MEA)；4）建立可切换的并流/逆流对比测试系统。

Preparation of membrane electrode assembly
研究采用商业化碳布（0.38 mm厚，180 g/m²
）作为气体扩散层，催化剂层使用20% Pt/C与PTFE混合浆料，通过超声喷涂制备三合一MEA。特别值得注意的是，团队创新性地在PBI膜两侧构建了对称的微孔层结构，这种"三明治"构型有效缓解了磷酸(PA)电解质的迁移流失问题。

Experiment results of fuel cell performance
在20 cm²
反应面积测试中，逆流设计功率密度达0.58 W/cm²
，较并流设计提升42.8%。当面积扩大至154 cm²
时，优势进一步放大至44%。电化学阻抗谱显示逆流设计的电荷转移电阻降低37%，证实其能有效促进质子和电子传导。更令人振奋的是，在48小时持续运行测试中，逆流设计的电压衰减率仅为并流设计的1/2，这种"时间稳定性"对工业应用至关重要。

Conclusion
该研究突破性地证明：三叶草型逆流双极板通过"对称流道+逆向换热"的协同效应，成功解决了大型HT-PEMFC的均匀性难题。其创新性体现在三个方面：首先是几何学创新——每个流道保持完全相同的90°转折次数和路径长度，确保流量分配均一；其次是热力学创新——阴阳极逆向流动形成自平衡的温度调节系统；最后是系统工程创新——圆形设计完美匹配真空保温容器的空间限制。

这项发表于《Fuel》的研究为HT-PEMFC大型化提供了标准化解决方案，其设计理念可延伸至其他流场敏感的电化学系统。第一作者Ji-Jia Huang和Pei-Lin Dai在文中特别指出，该设计的商业化前景在于其与现有双极板加工工艺（如冲压成型）的良好兼容性，这为快速产业化铺平了道路。团队负责人Fan-Gang Tseng教授强调，下一步将把该技术应用于5 kW级电堆测试，这标志着HT-PEMFC技术向实际应用又迈出关键一步。