再生型燃料电池

再生型燃料电池是指一种氢气、氧气产生，储存和利用的电化学装置，它是将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的一种新型氢能源发电装置。

简述再生燃料电池的关键材料和技术主要包括电催化剂、RFC膜电极、双极板和电解供水方式等。

再生燃料电池系统主要由四个部分组成：1)燃料电池子系统，将氢气，氧气的化学能直接转化为电能；2)电解水子系统，将燃料电池生成的水利用外部电能重新电解成氢气，氧气和水；3)反应物储罐，用于储存高压氢气，氧气和水；4)电源调节及控制子系统。

可再生燃料电池未来潜力巨大，可广泛应用于月球基地、近地轨道卫星、高空长航时太阳能飞行器、太空船的混合能量存储推进系统、太阳或风力或者潮汐等发电系统、海岛或者高山等偏远地区不依赖电网的储能系统、电网调峰的电源系统、便携式能量系统(零排放电动车、汽车储能系统、移动电源)、通讯机站，备用和应急电源等。

原理图1所示是再生燃料电池系统的工作原理示意图。在日照区(白天)，通过质子交换膜水电解器，利用太阳电池发电技术电解水制取氢气和氧气，并储存；在阴影区(黑天)，燃料电池使用储存的氢气和氧气发电，驱动载荷工作。燃料电池的唯一反应产物水经收集后，又可通过电解水产生氢气和氧气供燃料电池发电使用，并实现“再生”。这种方法构成了一个封闭的系统，不需要外部供应氢气和氧气，从而起到高效储能的效果。再生型燃料电池与普通燃料电池的相同之处在于它也用氢和氧来生成电、热和水，其不同的地方是它还进行逆反应，也就是水电懈。由于可再生燃料电池的工作过程就是水的分解和复合的循环过程，不需要外部的任何燃料和氧化剂的供应，因此再生燃料电池发电技术具有清洁、廉价、高效等特点。1

特点1)再生燃料电池系统不受放电深度影响。化学电池的衰减速度与放电深度有关，放电深度越高，衰减越快，而RFC的放电深度大于80%，对电池性能无影响。化学电源充放电电压不稳，需要附加一个充放电控制器，而RFC的功率只需微调。

2)再生燃料电池系统功率密度和能量密度高。

3)再生燃料电池系统寿命长。Hz-Ni电池、Cd-Ni电池等寿命随着放电深度DOD增加而迅速衰减，这是因为在充放电过程中，活性物质(NiOOH，储氢材料等)会发生相、晶格以及体积的变化，并且有一定的不可逆性，从而导致电池寿命降低。RFCS寿命与DOD无关，也可以说，在100%DOD时放电次数可达数万次。

4)在载人飞行器中使用再生燃料电池系统较之Hz—Ni电池更为有利。供能系统可与姿控推进系统、生命维持系统(如水净化系统)相结合，电解出的H：可用于还原COz，生成的Oz可供宇航员呼吸；所排放的废热可供宇航员保暖用。

5)适应大功率长时间储能要求。例如月球基地、平流层飞艇等大功率、长时间连续放电的使用场合只有RFCS能够满足使用要求。因为RFC功率与储能容量独立，可以只增加反应物储量，而不增加电池大小，就能增加储能量，因此大功率大储能量时，RFC质量增加很少。

6)充放电控制简单。RFC工作电压与充放电状态关系不大，运行性能稳定，无自放电，充放电控制简单。

7)降低燃料更换费用。由于水电解/燃料电池循环物质仅是水，即使有所损失，地面供应也比低温液态燃料运送更经济、更安全、更方便。1

分类从燃料电池与电解池结合方式来划分，再生燃料电池可分为两种主要形式：独立电解的再生燃料电池系统(IRFC)和一体式再生燃料电池系统(URFC)。

独立电解的再生燃料电池系统又可以分为：分体式再生燃料电池系统和综合式再生燃料电池系统。分体式再生燃料电池的各个子系统独立，除反应物互相贯通，每个子系统完全与其他子系统分开，装入各自的安装单元。较先进的分体式RFCS，各子系统都装在一个独立的单元内，共用一个冷却系统。分体式RFCS优点是容易放大，各自系统单独定型，易引入新技术，并且容易维护。缺点是系统复杂，体积能量密度低。

综合式再生燃料电池系统的两个子系统——燃料电池与电解池，同在一个机箱中，燃料电池放电与水电解充电在各自的电极和电池区域进行，这种结构所需的连接设备要求高，而且在两种电池运行时要选择相匹配的运行参数，其优点是体积能量密度比分体式高，缺点是RFCS循环周期短，受储水板容量限制，电路气路连接复杂，电池组装复杂。美国于20世纪80年代申请了这种结构的RFC专利。

可逆式RFCS的电池可以分别以燃料电池模式或电解模式工作，将原先的燃料电池与水电解池以一个双效电池替代，也称为一体式再生燃料电池(United Regenerative Fuel Cell，URFC)。与分体式再生燃料电池相比，URFC堆的最主要特点是电极双效性，燃料电池放电/水电解功能合一，从而可省去水电解器部分，所以该技术既可减轻系统质量，又可提高系统的可靠性和系统比能量。根据电解质类型，URFC可分为两种：1)石棉膜-碱性KOH再生燃料电池(ARFC)；2)离子膜型-纯水固体电解质再生燃料电池(PEMRFC)。近年来，由于质子交换膜燃料电池发展很快，PEMRFl2逐渐成为一个研究方向。1

前景RFC非常适合低重量、长耗时的用电需要，因此极有希望在空间、军事及可移动电源领域替代传统二次电池储能技术。

采用电力驱动的长航时高空太阳能飞行器，要求储能装置的比能量在400Wh/kg以上，当今只有RFC可满足上述技术要求。在有人职守的月球基地，由于月球的自转周期很长(达28个地球日)，其中无日照时间为16个地球日，用于月球基地的电源必须能长期供电，能量消耗很大，美国的相关研究认为月球基地的所需功率为20～100kW。建设月球基地，若选择高比能电源系统，可节约大量的发射费用。RFC只需要增加氢、氧和水的贮存系统，就能满足大容量储能要求。RFC作为储能系统，在轨道向光的时候，利用可再生能源——太阳能光伏阵发电供给空间站所需并给RFC充电(即在水电解模式下，将水分解成氢气和氧气并储存起来)，晚上RFC利用储存的氢气和氧气发电以维持系统运行。若月球上存在水，RFC系统甚至可以不从地球上带水。

RFC还可以与生命维持系统(如水净化系统)相组合，电解尿液产生的氢气可用于还原二氧化碳，生成的氧气可供宇航员呼吸；电解水产生的高压氢气、氧气可用于空间站及卫星的姿态控制，还可用于生命支持系统和姿态调整。从RFC中排出的废热温度约为50～70℃，可供宇航员保暖用，也可用于航天器的热管理。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学