科學通報 | 邱殿凱/彭林法等人發表評述文章一體式再生燃料電池的研究進展與展望

一體式再生燃料電池(unitized regenerative fuel cell, URFC)在同一裝置內集成了燃料電池(fuel cell, FC)發電和水電解(water electrolyzer, WE)制氫雙功能，具有高比能量、高能量轉換率、清潔高效等優勢。隨著氫能的發展，URFC在儲供能、長時動力系統、空間電源等領域極具應用價值。然而，URFC規模化應用存在諸多瓶頸，如雙工作模式往返效率低、催化劑貴金屬載量高、性能衰減快和運行不穩定，主要原因是關于URFC的研究尚在起步階段，對于URFC反應機制和水熱管理調控仍不明確。

上海交通大學邱殿凱教授等撰寫評述論文，從URFC工作原理及分類出發，重點關注恒定氣體構型URFC的部件及材料研究進展，闡述雙功能模式對催化劑、多孔傳輸層和極板的材料、結構和壽命的影響機制，分析兩種工作模式帶來的水氣傳輸規律及模式切換需求，為提升URFC綜合性能提供了方法指導。本文系統地對URFC雙功能部件的研究進展進行總結，并對未來高功率、高效率的URFC發展進行展望。

圖文導讀

圖1 URFC結構及不同構型示意圖. (a) 恒定氣體(CG)構型；(b) 恒定電極(CE)構型

圖2 雙功能氫催化劑研究進展. (a) 超低貴金屬載量Pt/WC催化劑合成與表征及耐久性測試；(b) HOR/HER活性和耐久性結果；(c) 高熵合金(NNM-HEA@CF)作為自支撐催化電極合成，以及該電極、Pt/C電極和泡沫鎳電極的(d)HER和(e)HOR線性掃面伏案特性曲線

圖3 雙功能氧催化劑理論分析. (a) *OOH、*O、*OH三種含氧中間產物之間吸附能關系圖；(b) ORR活性火山圖；(c) OER活性火山圖；(d) 五種材料在酸性環境下的貴金屬元素溶解率

圖4 Pt@IrO2核殼結構催化劑. (a) SEM圖像; (b) EDS能譜圖像; (c) XPS譜圖[45]; (d) 發電性能曲線; (e) AEM機制; (f) LOM機制

圖5 PFSA膜的功能及氣體滲透改善研究. (a) PFSA架構示意圖及不同產品(如Nafion, 短側鏈(SSC)等)對應的側鏈參數[54]; (b) 質子在充分潤濕的PFSA膜中傳輸過程示意圖; (c) 在兩層Nafion中間噴涂Pt載量為0.02 mg/cm2的復合中間層; (d) 具有復合中間層的MEA與常規MEA在1A/ cm2工況下運行過程中的氧中氫含量; (e) 在工況為1A/cm2情況下保持10 d，不同PFSA膜對應MEA的電壓變化曲線

圖6 不同類型的多孔傳輸層材料. (a) 碳紙；(b) 鈦氈；(c) 鈦網；(d)泡沫鈦

圖7 PTL表面MPL對電解槽性能影響研究. (a) 不同PTL(帶非規則顆粒MPL、帶規則顆粒MPL、Bekaert商用碳氈、純碳氈層)的3D結構圖; (b) MPL對PTL-CL界面接觸影響(左圖無MPL，右圖有MPL); (c) 不同PTL對電解槽性能的影響(極化曲線和IR-free曲線); (d) 不同PTL對電解槽高頻阻抗的影響

圖8 常見流場模式示意圖

圖9 兩親性的鈦基PTL性能分析. (a) 兩親性PTL制備工藝；(b)兩親性PTL與親水PTL(0°)水氣傳輸機制對比；四種PTL在65%濕度(c)和100%濕度(d)下的發電I-V曲線和功率密度對比；四種PTL電解I-V曲線(e)及2 A/cm2的傳質損失和1.8V的電流密度(f)。PS：原始親水PTL，NP：145°疏水PTL，SP：小間隔兩親性PTL，LP：大間隔兩親性PTL

文章信息

邱殿凱, 劉洋, 張忠豪, 郭孟迪, 楊淼, 彭林法. 一體式再生燃料電池的研究進展與展望. 科學通報, 2025, 70(18): 2947–2965

Qiu D K, Liu Y, Zhang Z H, et al. Research progress and prospects of unitized regenerative fuel cells (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70: 2947–2965

doi: 10.1360/TB-2024-0560

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