一、PEM-URFC中的氢氧电极
基于 PEM技术的单元化 RFC（PEM-URFC）使用质子传导膜，该膜夹在两个薄催化剂电极之间。
1、氧电极
氧电极的催化剂必须在氧化或还原条件下工作。在 EL（电解） 模式中，氧电极在氧化条件下起阳极作用；而在 FC（燃料电池） 模式中，催化剂在还原条件下起阴极作用，如下反应式：
电极设计也支持双功能工作氧电极。如下图所示，有四个基本设计原则：
A、 单层氧化和还原电极，需要双功能活性催化剂材料。这种电极易于制造，但需要高度稳定的催化剂和支撑材料，以承受高氧化性（氧化）和还原性（氧还原）条件，尤其是在高电流密度条件下。
B、双层电极，每层电极可分别最大限度地进行氧还原和氧化，以优化性能和使用寿命。这种设计导致电极层更加笨重，增加了气体扩散途径，从而降低了性能。为了优化传输特性，开发出了薄层电极，这种电极是通过转印方法制成的。但对于PEM-URFC 而言，这种类型的电极实际上并不适用。
C、双层电极的内侧有一层亲水层，用于向膜氧化氧气；外侧有一层疏水层，用于向多孔传输层（PTL/GDL）还原氧气。可以对这两层进行单独优化。
D、不同催化剂的空间分割区域电极。但研究表明，这种氧电极的催化活性较低。
2、氢电极
在 FC（燃料电池） 模式下，催化剂在氧化条件下起阳极作用；在 EL（电解） 模式中，氢电极在还原条件下起阴极作用，如下反应式所示：
负极主要使用碳支撑铂（Pt/C）。因此，由于氢电极电位适中，碳基板的电化学稳定性不会受到腐蚀问题的影响。为了减少氢电极中的铂含量，研究了在膜表面添加聚吡咯（PPR）层的PFSA膜。PPR 层不仅为氯化铂化学还原产生的电子提供了必要的电子传导途径，还增强了铂粒子与 PFSA 表面之间的接触。
3、膜电极组件的加工
这种 URFC 面临的主要技术挑战是膜电解组件内的水管理，因为在不同的运行模式下，需要将水输送到氧电极并将水从氧电极移除。在 EL 模式中，氧电极（阳极）被设计为充满水，而在 FC 模式中，产生的水必须从氧电极（阴极）中去除。
要去除根据反应形成的液态水，主要要求电极和扩散介质具有疏水性，这与电解模式所需的亲水性条件相反。因此，必须在多孔介质（GDL 和 PTL）的疏水性和亲水性之间进行权衡。大多数情况下，PTL/GDL 的润湿性能是通过聚四氟乙烯乳液来调节的。此外，还探索了使用吸芯或平行膜来除水/进水。此外，在切换到 FC 模式之前，在低压/高循环率和中间干电解操作下运行，也可支持适当的水管理。然而，纯氧由于其与大气氧的较高扩散率（尤其是在较高压力下），能够与淹没式或部分淹没式 PEMFC 正极一起工作。
另一个设计挑战是膜的厚度。在工作压力较高的电解模式下，需要 2100 微米厚的膜，以避免大量气体穿过膜。但这一厚度会导致膜上电压大幅下降，从而限制了燃料电池模式的电流密度，该模式主要在常压下工作。在 URFC 中，膜的厚度取决于电解操作中需要的较低气体交叉。
除了水管理方面的挑战外，电化学问题也对 MEA 的设计起着重要作用。正如上文所述，氧电极在两种运行模式下都会受到较大电位差的影响，但必须有效稳定地工作。
在从 EL 模式切换到 FC 模式以及反之亦然（循环）的过程中，由于阳极和阴极反应在同一电极上的变化，两个电极上都会发生永久的电位变化。为了避免这些与阴极反应转移到阳极反应有关的电位变化，开发了另一种操作模式，即在 EL 和 FC 模式期间，在同一电极上只发生阴极反应或阳极反应，即一个电极始终是阳极，另一个电极始终是阴极 。这种方法要求在系统层面上切换气体，因为阳极在 EL 模式（系统充电）下作为氧化电极工作，而在 FC 模式（系统放电）下作为氢氧化电极工作，如下图。
这种运行模式可以分别优化阳极和阴极反应的催化剂，从而大大降低电位损失。不过，出于安全考虑（产生氢氧气体），在从充电模式切换到放电模式以及从放电模式切换到充电模式时，都需要用惰性气体（氮气）冲洗电极室，这使系统变得更加复杂，也容易发生故障。
二、PEM-URFC中GDL的要求和作用
GDL 有时也称为 PTL，是燃料电池和其他电化学设备（如电解器）的关键部件，因此也是 URFC（可逆燃料电池） 的关键部件。GDL 是 MEA 电极和双极板之间的电连接桥，双极板上有流道，允许水和气体进出电极。GDL 的主要任务是：
提供从双极板流道到电极的气体扩散通道。
清除催化剂层外的副产水，防止电极浸水。
在电极中保留一部分水，使膜具有足够的导电性。
在电池运行过程中实现有效的热传导
提供机械强度，以抵消吸水过程中膜的膨胀。
然而，PEMFC 和 PEMEL 以及 PEM-URFC 的 GDL 运行条件有两个主要区别：
水管理：URFC 在 FC 和 EL 模式下的水管理有本质的区别。在 EL（电解） 模式下运行时，GDL 被液态水完全饱和，而在 FC（燃料电池） 模式下，气体会对 GDL 进行加湿，过量的液态水会阻碍气体向电极的传输。在 FC 模式下，GDL 中的液态水饱和度在 0.1 到 0.3 之间。因此，在从 EL 模式切换到 FC 模式时，需要进行气体吹扫或短暂的 "干电解 "操作，以干燥 GDL。
由于制氧电极的电位较高，碳基材料不适合用于 PEM-URFC。至于 MEA 中的催化剂支撑材料，需要使用多孔金属基材，如钛毡，当然这种基材比较昂贵。
因此，URFC 通常采用 PEM 水电解法中的GDL，以便在保持膜湿度和去除电池中的产水之间实现适当的水平衡。这种特性可以通过所谓的微孔层 (MPL) 得到加强，微孔层由涂覆在PTL表层的细碳颗粒和疏水剂组成，以避免水完全饱和。
三、PEM-URFC中BP的要求以及作用
具有流场结构的双极板的主要功能是：
将燃料及其氧化剂均匀分布在电极的整个区域内。
促进电池内的水分管理（在 FC 模式下去除水分，在 EL 模式下均匀分布水分）。
分离电堆中的单个电池。
使电流在两个相邻单电池之间流动。
促进热管理。
在URFC中，高达2V的电池电压和EL（水解）模式下产生的氧气会导致工作环境具有腐蚀性。因此，不能使用PEMFCs中的石墨板或不锈钢双极板，而大多选择具有涂层的钛或者铝。
