综述：单元式再生燃料电池技术：发展、挑战、应用与前景

《Renewable and Sustainable Energy Reviews》：Unitized regenerative fuel cell technologies: Development, challenges, applications, and perspectives

　　

• 回顾了URFC的技术分类和开发历史。
• 具有平衡活性和稳定性的双功能催化剂对URFC至关重要。
• 碳腐蚀是导致降解的主要原因。
• 目标是实现超过50%的电压往返效率。
• 商用URFC仍处于示范阶段。

## 引言

全球能源需求不断攀升，加之环境问题的紧迫性，使得对可持续、高效能源解决方案的需求日益迫切。太阳能和风能等可再生能源为能源部门的脱碳提供了有前景的路径；然而，其固有的间歇性给电网稳定性和可靠供电带来了重大挑战[1, 2, 3, 4]。因此，有效的储能系统对于弥合间歇性发电与波动性需求之间的差距不可或缺。在众多储能技术中，氢气作为一种清洁的能源载体脱颖而出，这得益于其高能量密度（120至142 MJ/kg）以及在可再生来源生产和燃料电池利用时的零排放特性。基于氢能的储能通过"电转气再转电"循环提供了一种极具吸引力的替代方案，实现了长时储能系统。再生燃料电池（RFC）是实现这一双向能量转换的使能技术，与传统电化学储能系统相比，其通过将功率容量与能量容量在架构上解耦，展现出显著优势。如图1所示，RFC系统将电解槽（用于制氢）和燃料电池（用于发电）结合为一体。

在RFC这一更广泛的类别中，一体式再生燃料电池（URFC）代表了一种特别创新且紧凑的技术路线。与采用独立电解槽和燃料电池堆的分立式再生燃料电池（DRFC）系统不同，URFC将两种功能集成于一个电化学器件中，共享电极、膜和流场等公共组件。这种一体化设计具有多项显著优势，包括减轻重量、减小体积和降低资本成本，使其在空间和质量是关键约束的应用场景中极具吸引力，如便携式电源、航空航天和偏远微电网系统[5, 6]。此外，URFC还具备将储能容量与额定功率解耦的独特能力，为系统设计和运行提供了灵活性[7]。其工作原理包括电解（EC）模式，即利用多余电能将水分解为氢气和氧气；以及燃料电池（FC）模式，即储存的氢气与氧气反应产生电能和水。这种可逆运行使URFC成为缓冲间歇性可再生能源并提供按需电力的有效技术。尽管潜力巨大，但URFC技术仍面临若干严峻挑战，阻碍了其大规模商业化应用。例如，开发在高变化运行条件下具有高活性和耐久性的双功能电催化剂[8, 9]；催化剂层、气体扩散层（GDL）和双极板等材料在循环运行条件下的降解，以及膜在循环运行条件下的稳定性，仍然是影响长期耐久性和往返效率（RTE）的关键问题[8, 10, 11]；以及在模式切换期间的水管理和热调节，以维持稳定性能并防止液泛或脱水等问题[12, 13]。

URFC技术的发展跨越了六十余年。这一演进过程大致可分为五个阶段。图2展示了URFC发展的时间线。上层表示关键的里程碑成果，下层则标明了各时期的挑战和技术突破。研究目标已从早期的概念验证转变为追求更高的RTE、更长的循环耐久性和更低的贵金属依赖度。

S. E. Voltz等人于1962年报道了一种既可放电又可充电的再生氢氧燃料电池[14]。到1963至1964年，美国开始颁发RFC专利，表明对该技术的兴趣日益增长[15]。NASA也研究了RFC系统，并将该技术纳入燃料电池项目[16]。通用电气公司于1973年展示了第一个单电池质子交换膜（PEM）URFC[17]。这一示范证明了单个膜电极组件（MEA）可以在FC模式和EC模式之间可逆运行。研究人员还在20世纪80年代研究了将该技术应用于太空应用的可能性[18, 19]。劳伦斯利弗莫尔国家实验室和多家企业在20世纪90年代开发了更多URFC系统[20, 21, 22]。在这些对重量敏感的环境中，闭环氢氧储能相比传统电池具有战略优势。早期的URFC系统面临两个主要挑战：膜在反复模式切换下耐久性有限，限制了运行寿命；以及对贵金属催化剂的严重依赖导致材料成本高企[23, 24]。

后续研究聚焦于双功能催化剂开发和电极架构设计。钛基双极板搭配Pt/IrOx双功能催化剂被广泛应用于URFC系统[25]。氧侧腐蚀被认为是主要的降解机制[9, 10]。在中电流密度下，RTE通常低于50%。这一效率限制源于双功能氧电极的迟滞效应[7, 26]。Altmann等人在单个电极内制备了空间分离的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）催化剂相的双功能电极。这种分层结构同时改善了催化活性和运行稳定性[27]。Millet等人确定了基于PEM的可逆系统中水和热管理是关键工程挑战。FC模式需要高效去除液态水以防止阴极液泛；EC模式则需要向阳极提供充足的水分[28]。类似地，Kumar等人确定模式切换期间的水液泛是限制效率的因素，提出了用于URFC的水渗透导电板复合双极板，在300 mA/cm2下实现了50%的RTE[29]。

循环运行下的降解机制引起了越来越多的研究关注。Qiu等人量化了URFC在循环运行下的降解行为[10]。其结果显示，在电位超过1.6 V时，氧电极处的碳腐蚀加速。Bhosale等人对URFC降解进行了根本原因分析。其研究确定膜减薄和催化剂层剥离是主要失效模式[30]。这些发现推动了耐腐蚀组件的开发。Chen等人开发了一种基于TiC的GDL作为传统碳载体的替代材料。该材料在URFC循环条件下展现出优异的电化学稳定性[31]。Alvar等人用掺杂Nb的TiO?对碳催化剂载体进行涂覆，作为低成本的氧化屏障[32]。Peng等人设计了一种用于高效稳定URFC的分级电极结构。其系统展示了长期储能能力，并改善了水的传输[33]。Fornaciari等人提出了蒸汽供给EC的概念。该方法将液态水供给与电极结构解耦[34]。

近年来，研究重点明显转向系统集成和运行优化。Bhosale等人对催化剂涂层基材（CCS）和催化剂涂层膜（CCM）制造技术进行了系统比较，记录了影响MEA性能的关键参数[35]。此外，Pu等人强调了质子交换膜一体式再生燃料电池（PEM-URFC）/阴离子交换膜一体式再生燃料电池（AEM-URFC）在航空航天应用中相比固体氧化物一体式再生燃料电池（SO-URFC）的优势[6]。

近期几项综合评述指出了该研究领域的关键空白。Wang等人通过电极工程弥补了这些空白。具体而言，他们使用刮涂法制备了恒定电极（CE）构型。该系统在1 A/cm2下实现了超过56%的RTE。总体而言，作者报告了效率绝对提高了12%[36]。Wang等人强调，打破标度关系约束需要超越传统掺杂的创新策略[37]。Gulotta等人发现，PEM-URFC仅存在一条生命周期评估（LCA）记录，且缺乏专门的生命周期成本研究，表明技术经济评估仍然缺失[38]。Singla等人强调URFC可提供400至1000 Wh/kg的包装能量密度，但将有限的效率（目前为30-38%）确定为主要的商业化障碍[39]。Dutta等人建立了Pt/IrO?复合材料实现了1160 mW/cm2功率密度，是传统混合物的1.8倍[40]。Low等人确定了潜在循环和高温是双极板降解的主要因素[11]。Mladenovi?综述了碱性URFC的非铂族金属（PGM）替代方案[41]。Shahzad等人强调分级电极设计和先进的热管理是超越目前约50%效率的关键途径[42]。

然而，现有的评述缺乏一个多尺度框架来系统地关联催化剂设计、电极制造和器件级循环性能[7, 24, 26, 37, 40]。此外，关键的系统级问题仍然整合不足，包括CE与CG运行模式之间的耐久性比较、从单电池到多电池堆的规模化路径，以及URFC标准化加速应力测试（AST）协议的开发[6, 36, 39, 42, 43, 44]。表1展示了现有URFC评述与本评述的比较。

为弥补这些知识空白，本评述通过多尺度集成框架对URFC技术进行了系统分析。本评述聚焦于低温URFC，因为它们最接近实际部署。如图3所示，该框架遵循工程层级结构，从组件到电池/堆，最终到系统/应用。在每一层级，我们根据三项关键性能指标对技术进行评估：往返效率（RTE）、耐久性和成本。该框架将基础材料科学与实际系统工程联系起来，追踪每个材料和组件选择如何向上层传递并塑造这三项指标，并揭示各层级之间产生的权衡关系。首先，我们考察URFC的开发历程及其技术分类，同时建立制造方法与器件性能之间的明确联系。在材料层面，我们解决了双功能电催化剂这一核心挑战，评估了基于PGM催化剂的活性、耐久性和成本局限性，并探索了单原子催化剂和金属-有机框架等新兴替代方案。在组件层面，我们评估了膜、GDL/质子传输层（PTL）和双极板的创新进展，并将每个组件与其对效率、耐久性和成本的影响联系起来。我们还对CE和CG模式的耐久性及技术经济可行性进行了批判性评估。在系统层面，随后分析了集成挑战，我们研究了全面的水管理策略，以防止模式切换期间的液泛和脱水，并评估其对效率和运营成本的影响。我们还考察了循环运行特有的降解机制，如碳腐蚀。在应用层面，本评述以全面的技术经济评估和前瞻性展望作为结语，以加速URFC作为可持续能源基础设施基石技术的采用。

### 章节摘要

#### URFC的开发

RFC技术的发展受到高效储能和能量转换需求的驱动，尤其是来自间歇性可再生能源的能量转换。从DRFC到URFC的演进代表了一种范式转变，即单个电化学器件同时执行水电解和发电功能，从而显著降低了系统复杂度、重量和资本成本[6, 7]。

#### URFC当前面临的挑战

尽管RFC具有固有优势和广阔前景，但其大规模商业化遇到了重大技术挑战。单电池PEM-URFC/AEM-URFC的结构如图9所示。这些挑战包括材料降解、双功能组件的限制，以及复杂的运行问题，如模式切换和水管理。解决这些挑战对于提升URFC系统的效率、耐久性和成本效益至关重要。

#### URFC的应用

URFC具有多项独特特征，使其适用于多种应用。其紧凑的体积、高能量密度和双向能量转换能力使其能够部署于航空航天、电网级储能、无人车辆和便携式电源系统等专门领域（图19）。与DRFC系统相比，URFC的优势在于通过将两堆电池组件减少为一堆，降低了资本支出[53]。

#### 结论与未来展望

URFC在推动全球可持续能源倡议中发挥着至关重要的作用。它们提供了一种高效的方法来储存和转换间歇性可再生能源。本综合评述强调了URFC技术的重要进展，并批判性地审视了为实现更广泛商业应用必须解决的持续挑战。

要充分发挥URFC的变革潜力，必须关注关键研究领域和技术……

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到以下项目支持：中国教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM304）、武汉市自然科学基金（2024040701010042）、湖北省科技厅（2025DJA053）、中国大唐集团有限公司（DTKC-2026-10651）。

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