科学通报 | 邱殿凯/彭林法等人发表评述文章一体式再生燃料电池的研究进展与展望

一体式再生燃料电池(unitized regenerative fuel cell, URFC)在同一装置内集成了燃料电池(fuel cell, FC)发电和水电解(water electrolyzer, WE)制氢双功能，具有高比能量、高能量转换率、清洁高效等优势。随着氢能的发展，URFC在储供能、长时动力系统、空间电源等领域极具应用价值。然而，URFC规模化应用存在诸多瓶颈，如双工作模式往返效率低、催化剂贵金属载量高、性能衰减快和运行不稳定，主要原因是关于URFC的研究尚在起步阶段，对于URFC反应机制和水热管理调控仍不明确。

上海交通大学邱殿凯教授等撰写评述论文，从URFC工作原理及分类出发，重点关注恒定气体构型URFC的部件及材料研究进展，阐述双功能模式对催化剂、多孔传输层和极板的材料、结构和寿命的影响机制，分析两种工作模式带来的水气传输规律及模式切换需求，为提升URFC综合性能提供了方法指导。本文系统地对URFC双功能部件的研究进展进行总结，并对未来高功率、高效率的URFC发展进行展望。

图文导读

图1 URFC结构及不同构型示意图. (a) 恒定气体(CG)构型；(b) 恒定电极(CE)构型

图2 双功能氢催化剂研究进展. (a) 超低贵金属载量Pt/WC催化剂合成与表征及耐久性测试；(b) HOR/HER活性和耐久性结果；(c) 高熵合金(NNM-HEA@CF)作为自支撑催化电极合成，以及该电极、Pt/C电极和泡沫镍电极的(d)HER和(e)HOR线性扫面伏案特性曲线

图3 双功能氧催化剂理论分析. (a) *OOH、*O、*OH三种含氧中间产物之间吸附能关系图；(b) ORR活性火山图；(c) OER活性火山图；(d) 五种材料在酸性环境下的贵金属元素溶解率

图4 Pt@IrO2核壳结构催化剂. (a) SEM图像; (b) EDS能谱图像; (c) XPS谱图[45]; (d) 发电性能曲线; (e) AEM机制; (f) LOM机制

图5 PFSA膜的功能及气体渗透改善研究. (a) PFSA架构示意图及不同产品(如Nafion, 短侧链(SSC)等)对应的侧链参数[54]; (b) 质子在充分润湿的PFSA膜中传输过程示意图; (c) 在两层Nafion中间喷涂Pt载量为0.02 mg/cm²的复合中间层; (d) 具有复合中间层的MEA与常规MEA在1A/ cm²工况下运行过程中的氧中氢含量; (e) 在工况为1A/cm²情况下保持10 d，不同PFSA膜对应MEA的电压变化曲线

图6 不同类型的多孔传输层材料. (a) 碳纸；(b) 钛毡；(c) 钛网；(d)泡沫钛

图7 PTL表面MPL对电解槽性能影响研究. (a) 不同PTL(带非规则颗粒MPL、带规则颗粒MPL、Bekaert商用碳毡、纯碳毡层)的3D结构图; (b) MPL对PTL-CL界面接触影响(左图无MPL，右图有MPL); (c) 不同PTL对电解槽性能的影响(极化曲线和IR-free曲线); (d) 不同PTL对电解槽高频阻抗的影响

图8 常见流场模式示意图

图9 两亲性的钛基PTL性能分析. (a) 两亲性PTL制备工艺；(b)两亲性PTL与亲水PTL(0°)水气传输机制对比；四种PTL在65%湿度(c)和100%湿度(d)下的发电I-V曲线和功率密度对比；四种PTL电解I-V曲线(e)及2 A/cm2的传质损失和1.8V的电流密度(f)。PS：原始亲水PTL，NP：145°疏水PTL，SP：小间隔两亲性PTL，LP：大间隔两亲性PTL

文章信息

邱殿凯, 刘洋, 张忠豪, 郭孟迪, 杨淼, 彭林法. 一体式再生燃料电池的研究进展与展望. 科学通报, 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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