综述：用于实现脱碳绿色电力生产的直接氨燃料电池的进展与挑战

《Fuel》：Advances and challenges in direct ammonia fuel cells for decarbonized green power generation

氨作为碳中性能源载体，其直接电化学利用在低温阴离子交换膜燃料电池（DA-AEMFCs）中展现出移动应用潜力，但面临氨氧化反应动力学缓慢、燃料穿越引发材料降解、水分管理等挑战。通过开发新型催化剂、耐氨材料及电极结构优化，结合气相供氨与背压调控等系统级策略，可提升性能。然而，标准化测试 protocols 和系统级整合设计仍是商业化瓶颈。

　　

金南进（Namjin Kim）| 朱亨国（HyungKuk Ju）

韩国全南丹国大学（Dankook University）氢能系，31116

摘要

氨被认为是一种有前景的无碳氢载体，因为它含有高比例的氢、易于液化，并且拥有成熟的全球基础设施。直接氨燃料电池（DAFCs）无需上游氢重整装置，简化了系统架构并降低了运行复杂性。根据电解质类型和运行条件，DAFCs主要分为低温阴离子交换膜燃料电池（DA-AEMFCs）和高温固体氧化物燃料电池（DA-SOFCs）。由于其快速启停能力和耐二氧化碳（CO₂）的特性，DA-AEMFCs在移动和便携式应用中受到了越来越多的关注。然而，其实际应用受到氨氧化反应（AOR）动力学缓慢、氨渗透导致的材料降解以及膜电极组件内水分管理挑战的阻碍。为克服这些限制，近期研究集中在开发先进的AOR催化剂、耐NH₃材料以及电极改性上。系统级策略，如气相氨供给和受控背压，也在提高质量传输和反应动力学方面显示出潜力。尽管取得了这些进展，但由于缺乏同时考虑动力学、耐用性和催化剂稳定性的标准化测试协议和集成系统设计，商业化进程仍受到限制。在本文中，我们讨论了最新进展，指出了关键挑战，并提出了实现高性能DA-AEMFC系统的未来方向。

引言

基于碳的能源（如煤炭、石油和天然气）的使用被认为是二氧化碳（CO₂）排放增加的主要驱动因素，对气候变化和环境污染产生了显著影响。这些负面效应凸显了迫切需要可持续的能源替代方案，以在维持能源安全的同时减少碳排放。在这些替代方案中，氢作为一种有前景的清洁燃料受到了广泛关注，被视为下一代能源载体。因此，多个科学学科和工业领域进行了大量研究，以探索其潜在应用和效率优化。氢具有极高的质量能量密度（142 MJ kg^?1），使其成为能源密集型应用的理想燃料[1]、[2]、[3]。然而，其在常压下的极低体积能量密度（12.74 kJ L^-1@ 1 atm 和 0 °C）给储存和运输带来了根本性挑战。为解决这一问题，氢通常在高压条件下储存（例如，用于燃料电池车辆的压缩氢气为700 bar）或以低温液态（-253 °C）储存以增加其体积能量密度。然而，对于长途运输和长时间储存，这些储存方法由于高压缩和液化成本、基础设施要求以及能量损失而面临显著的经济和物流挑战[4]、[5]、[6]、[7]。

为了克服这些限制，液体有机氢载体（LOHCs）、氨（NH₃）和甲醇（CH₃OH）等氢载体被广泛研究作为经济高效且可行的氢储存和分配方式[1]、[6]、[8]、[9]、[10]。表1总结了氢及其替代载体的储存和运输特性。在这些替代燃料中，氨特别具有吸引力，因为它可以在室温（约10 bar）下液化，氢含量高（17.64 wt%），能量密度高（12.7 MJ L^-1），并且是碳中性的。此外，由于哈伯-博施工艺（Haber-Bosch process）的大规模发展，氨在工业上的应用已有超过100年的历史，该工艺彻底改变了大规模氮的固定。因此，其生产、储存和运输基础设施已经得到了广泛的发展和优化。因此，使用氨作为氢载体在长期和远距离储存和运输方面具有优势。然而，将其裂解为氢需要专门的转化系统和额外的能量，这会导致总体能量损失并降低经济竞争力[2]、[11]。相比之下，直接使用氨作为燃料可以简化流程，降低系统成本和能耗，从而提高能源效率。此外，我们还发表了一篇关于相关方面的简明韩文综述；这篇综述通过提供最新的性能和实验条件基准、操作指南、关键挑战及热力学考虑，对该领域进行了扩展[12]。

燃料电池技术的最新进展促使人们开始直接利用氨作为燃料。这推动了直接氨燃料电池（DAFCs）的发展。值得注意的是，氨燃料电池的副产物仅为N₂，使其成为传统化石燃料的环境友好型替代品。此外，低温DAFCs作为交通运输和长距离能源应用的高效电源越来越受到关注，尤其是由于其快速启停能力，这对于移动和按需发电至关重要[13]。鉴于这些进展，本文旨在介绍不同类型的DAFCs，并阐述低温DAFCs中的电化学氨氧化反应（AOR）机制，同时探讨提高系统效率、优化操作参数和提升整体DAFC性能的策略。

章节摘录

氨燃料电池

本节概述了各种类型氨燃料电池（AFCs）的分类和运行原理。如图1所示，根据氨的利用形式，AFCs大致可以分为两类：直接氨燃料电池（DAFCs），以氨为主要燃料；以及间接氨燃料电池（IAFCs），需要额外的氨裂解反应器来提供H₂。DAFCs还根据运行温度和电解质类型进一步分类。

AOR机制

全面理解AOR机制对于开发高效且选择性的电催化剂至关重要。通过揭示控制吸附中间体形成、转化和脱附的基本过程，研究人员可以策略性地调整活化能障碍，减少不必要的副反应（如NO_x的产生。因此，对AOR机制的系统性理解为开发先进催化剂提供了基础框架。

DA-AEMFC的挑战与问题

DA-AEMFC面临诸多技术障碍，严重阻碍了其商业化应用。关键挑战包括阳极处氨氧化反应的动力学缓慢、膜渗透导致的燃料损失和电极降解、燃料输送机制的限制、电极界面处复杂的水分管理问题，以及优化操作参数的复杂性。这些多方面的挑战无法通过零散的改进来解决。

总结与展望

DAFCs通过实现氨的直接电化学利用，无需上游氢重整，成为碳中性能源系统的有前景的技术。在这篇综述中，我们比较了低温DA-AEMFCs、高温DA-SOFCs和间接氨SOFCs，强调了运行温度、电解质类型和反应器配置的差异如何决定各自的优点、局限性和应用领域。DA-AEMFCs

CRediT作者贡献声明

金南进（Namjin Kim）：撰写——初稿，概念构思。朱亨国（HyungKuk Ju）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了丹国大学2023年的研究资助。