质子交换膜燃料电池（PEMFC）回收策略：面向高效材料回收与组件再利用的闭环途径

《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Recycling strategies for PEM fuel cells

　　

摘要翻译：针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的回收策略，研究人员强调：回收对于提升竞争力、保障可持续性以及满足法规遵从性要求至关重要；开发PEMFC专属的回收路径是实现高回收率的必要条件；组件特有的回收工艺必须在电堆层面进行整合；可拆卸设计（Design for Disassembly）能够促进组件再利用并提高回收效率。

论文解读文章：

随着氢经济加速发展，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在交通和能源领域的部署规模持续扩大，由此产生的大量生产废料和报废产品使得回收问题日益紧迫。PEMFC含有昂贵的铂族金属（PGM）以及全氟和多氟烷基物质（PFAS），后者不可生物降解，且焚烧时会产生剧毒和腐蚀性气体。然而，目前尚缺乏针对燃料电池的专门法规，而电池回收领域已存在严格的材料回收效率及再生材料使用比例的强制性目标。此外，现有燃料电回收综述多聚焦于单一材料或组件，缺少对组件级工艺整合及完整电堆回收策略的系统性梳理。因此，亟需提出兼顾经济性、环境友好性和法规前瞻性的PEMFC回收技术路径。

研究人员系统综述了PEMFC各组件的材料组成、降解机制及回收工艺进展，并提出了面向完整电堆的回收策略框架。研究首先指出，PEMFC的膜电极组件（MEA）在使用过程中会发生碳腐蚀、铂溶解—再沉积、膜退化等降解，导致MEA无法直接复用，催化剂也不能直接重新利用，这决定了回收工艺必须以材料分离为前提。针对催化涂层膜（CCM），研究总结了火法冶金、湿法冶金、电化学溶解、酸溶解和溶剂溶解等工艺路线，并指出火法冶金虽然工业成熟度高，但会释放含氟有害气体且无法回收除铂以外的材料；湿法冶金具有较高技术成熟度（TRL），经济上能与火法冶金竞争，但消耗大量化学品。离聚物回收方面，溶解后重铸膜可直接用于液流电池或燃料电池，但会受降解程度影响；离聚物也可用于催化层制备，或通过亚临界水矿化回收氟。研究还指出，环境友好路线（如溶剂法与湿法冶金组合）虽然综合得分最高，但技术成熟度较低，需要进一步研发。

在组件回收方面，研究人员分别讨论了双极板（BPP）和气体扩散层（GDL）的处理方案。金属双极板若未腐蚀变形可直接清洗复用，否则可进行常规金属回收。石墨双极板可清洗复用，或经粉碎热压制成新极板；若其含有热塑性黏结剂，则支持主要闭环回收；热解—石墨化工艺可在高温下恢复石墨质量，但能耗极高。GDL因含聚四氟乙烯（PTFE）使得热解处理更复杂；研究尝试将热解后的GDL制成催化剂载体，但性能不及常规载体；直接复用GDL会导致电池性能轻微下降，因此将其碳材料用于其他应用可能是更实际的选择。

研究人员提出了将PEMFC回收分为电堆回收和组件回收两个层面的完整策略。电堆回收包括通过自动拆解（Route A）、机械分离（Route C）或二者结合（Route B）实现组件分离。自动非破坏性拆解可以保留双极板等组件的复用可能性，但需要应对组件间粘接带来的挑战；机械分离可扩大规模并降低成本，但分选纯度较低。分离后各物料组分分别经化学、机械或热处理回收材料。研究人员强调，当前回收工艺链尚未在工业上实现，但技术可行性已获文献支持。

研究还探讨了生态设计措施。通过降低铂负载、减薄膜和双极板厚度、提高功率密度等设计改进，并结合铂和离聚物回收以及端板和双极板复用，可将PEMFC生命周期全球变暖潜势（GWP）降低约85%。其中耐拆卸设计（Design for Disassembly）是近期更易实施的关键策略，包括模块化架构、标准化以及避免不必要的粘接；还提出了“按需脱粘”（debonding on demand）概念，通过可移除粘接系统降低拆解难度。此外，研究人员指出，相关回收概念可部分转移到直接甲醇燃料电池（DMFC）和PEM水电解器（PEMWE），但对SOFC不适用。

研究人员最后总结，PEMFC回收需要面向全组件和所有材料的综合处理链，自动化非破坏性电堆拆解是规模化实施的关键使能技术。当前工业主流火法冶金路线环境负担大且回收材料单一，应在成熟湿法冶金基础上发展低排放、高回收率的组合工艺。回收可行性应作为与性能、成本、耐久性并列的设计准则，PEMFC开发应遵循全生命周期理念，以闭环材料循环和最小化环境足迹为目标。此外，未来PFAS限制法规的具体内容将显著影响回收策略走向，若全面禁用含氟膜，则火法冶金的适用性反而可能增强；若允许继续使用但规定循环义务，则会激励更多针对燃料电池的完整回收体系开发。