科學(xué)通報(bào) | 邱殿凱/彭林法等人發(fā)表評(píng)述文章一體式再生燃料電池的研究進(jìn)展與展望

一體式再生燃料電池(unitized regenerative fuel cell, URFC)在同一裝置內(nèi)集成了燃料電池(fuel cell, FC)發(fā)電和水電解(water electrolyzer, WE)制氫雙功能，具有高比能量、高能量轉(zhuǎn)換率、清潔高效等優(yōu)勢(shì)。隨著氫能的發(fā)展，URFC在儲(chǔ)供能、長(zhǎng)時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)、空間電源等領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值。然而，URFC規(guī)模化應(yīng)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(yùn)行不穩(wěn)定，主要原因是關(guān)于URFC的研究尚在起步階段，對(duì)于URFC反應(yīng)機(jī)制和水熱管理調(diào)控仍不明確。

上海交通大學(xué)邱殿凱教授等撰寫(xiě)評(píng)述論文，從URFC工作原理及分類(lèi)出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注恒定氣體構(gòu)型URFC的部件及材料研究進(jìn)展，闡述雙功能模式對(duì)催化劑、多孔傳輸層和極板的材料、結(jié)構(gòu)和壽命的影響機(jī)制，分析兩種工作模式帶來(lái)的水氣傳輸規(guī)律及模式切換需求，為提升URFC綜合性能提供了方法指導(dǎo)。本文系統(tǒng)地對(duì)URFC雙功能部件的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)高功率、高效率的URFC發(fā)展進(jìn)行展望。

圖文導(dǎo)讀

圖1 URFC結(jié)構(gòu)及不同構(gòu)型示意圖. (a) 恒定氣體(CG)構(gòu)型；(b) 恒定電極(CE)構(gòu)型

圖2 雙功能氫催化劑研究進(jìn)展. (a) 超低貴金屬載量Pt/WC催化劑合成與表征及耐久性測(cè)試；(b) HOR/HER活性和耐久性結(jié)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?huà)呙娣柑匦郧€

圖3 雙功能氧催化劑理論分析. (a) *OOH、*O、*OH三種含氧中間產(chǎn)物之間吸附能關(guān)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(huán)境下的貴金屬元素溶解率

圖4 Pt@IrO2核殼結(jié)構(gòu)催化劑. (a) SEM圖像; (b) EDS能譜圖像; (c) XPS譜圖[45]; (d) 發(fā)電性能曲線; (e) AEM機(jī)制; (f) LOM機(jī)制

圖5 PFSA膜的功能及氣體滲透改善研究. (a) PFSA架構(gòu)示意圖及不同產(chǎn)品(如Nafion, 短側(cè)鏈(SSC)等)對(duì)應(yīng)的側(cè)鏈參數(shù)[54]; (b) 質(zhì)子在充分潤(rùn)濕的PFSA膜中傳輸過(guò)程示意圖; (c) 在兩層Nafion中間噴涂Pt載量為0.02 mg/cm2的復(fù)合中間層; (d) 具有復(fù)合中間層的MEA與常規(guī)MEA在1A/ cm2工況下運(yùn)行過(guò)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(duì)應(yīng)MEA的電壓變化曲線

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

圖7 PTL表面MPL對(duì)電解槽性能影響研究. (a) 不同PTL(帶非規(guī)則顆粒MPL、帶規(guī)則顆粒MPL、Bekaert商用碳?xì)帧⒓兲細(xì)謱?的3D結(jié)構(gòu)圖; (b) MPL對(duì)PTL-CL界面接觸影響(左圖無(wú)MPL，右圖有MPL); (c) 不同PTL對(duì)電解槽性能的影響(極化曲線和IR-free曲線); (d) 不同PTL對(duì)電解槽高頻阻抗的影響

圖8 常見(jiàn)流場(chǎng)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(jī)制對(duì)比；四種PTL在65%濕度(c)和100%濕度(d)下的發(fā)電I-V曲線和功率密度對(duì)比；四種PTL電解I-V曲線(e)及2 A/cm2的傳質(zhì)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(jìn)展與展望. 科學(xué)通報(bào), 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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