麻省理工學院開發(fā)出新型無膜氫溴電池 低成本高容量

　　無膜氫溴儲能系統(tǒng)的大膽創(chuàng)新
　　麻省理工學院機械工程系的研究人員產(chǎn)生了一個大膽又新穎的想法，就是能否綜合無膜儲能系統(tǒng)和氫溴化學性質的各自優(yōu)勢，把兩個有局限的系統(tǒng)放在一起，獲得比任何一個單獨系統(tǒng)要好的結果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發(fā)展的弊端，同時還可以取代傳統(tǒng)的無膜氧基電池表現(xiàn)不佳的缺點。
　　氫溴反應有一個最大的特點就是其反應的可逆性。通常無膜燃料電池進去的反應物和出來的產(chǎn)品是不同的，因此這些系統(tǒng)通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。氫溴化學反應的產(chǎn)品是電解質。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達到充電的效果。這樣就可以形成一個“閉環(huán)”模式，使無膜充電電池成為可能。
　　麻省理工學院設計的最新氫溴電化學儲能系統(tǒng)的頂部是一種含有少量鉑(Pt)催化劑的多孔陽極，底部是固體石墨陰極。陽極和陰極之間流動著電解液氫溴酸，含有帶負電荷的溴離子和帶正電的氫離子。
　　在放電模式下，氫溴酸電解質從左側進入主通道，在電極之間流動，底部的多孔陽極金屬網(wǎng)阻止電解液滲透。氫氣從頂部進入，同時，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過一個單獨的通道進入。在陽極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負電荷的電子，然后通過不同的路徑移動到陰極。氫離子通過電解液，而電子經(jīng)外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負電荷的離子。帶負電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子溴則在陽極生成。
　　依靠層流技術的關鍵是防止反應物達到“錯誤”的電極。這種現(xiàn)象稱為交叉，可對陽極催化劑造成損害。在新設計中，金屬網(wǎng)可使氫氣進入電解液。
　　根據(jù)最新的數(shù)值模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴散到電解液的流動過程中，其濃度會降低。如果時間充分，溴最終會流動到陽極，帶來不必要的交叉影響。不過研究人員在設計中注意到了這個問題，并采取了措施以確保溴分子反應物不會達到陽極。
　　原型電池儲能的高效率及低成本令人欣喜
　　為了測試無膜氫溴儲能系統(tǒng)的概念，研究人員設計了一個小的原型電池。它由兩個0.8毫米的電極，1.4厘米長的流道及引導反應物進入設備的入口組成。研究人員根據(jù)不同的流量和不同的反應物濃度對原型電池進行了一系列實驗。即便在尚未優(yōu)化的條件下，該電池在室溫和室內(nèi)壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當，比其他無膜電化學儲能設備高兩到三倍。
　　原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環(huán)模式下，把回收的反應產(chǎn)品充入設備中進行充電。在反向操作中，對純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實驗結果顯示，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達200mW/cm2的超過90%，是峰值功率的25%。這些結果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。
　　初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統(tǒng)的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒有陰極催化劑，陽極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統(tǒng)所需能源大小減少，這也進一步降低了成本。研究人員目前還在繼續(xù)改善他們的系統(tǒng)，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應發(fā)生得很快，即便沒有隔離膜的限制，氫離子穿過電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開發(fā)全新的電池結構，確保電解液在閉環(huán)操作的捕獲和回收過程中，不含有溴分子。