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燃料電池的覺醒:2次電池化
發布時間:2019-04-17 09:39:56

燃料電池的覺醒:2次電池化


大多數現有的燃料電池(FC)是不能充電的1次電池。然而,它可以從外部填充燃料氫氣,因此又不能說是一次性的。


實際上從原理上來看的話,燃料電池是可能實現2次電池化的,特別是發電或者說放電時使用的固體高分子型燃料電池(PEFC),與水電解即充電時使用的PEM型水電解裝置在電極以及電池結構上幾乎是相同的,化學反應也剛好相反。不同的是催化劑材料的最佳選擇及其用量。


東芝的自持式能源供應系統“H2One”,就是將PEFC和PEM型水電解槽,儲氫系統等集中在一個容器中。從某種意義上說,整個容器即具備像二次可充電電池一樣的機能。


研究人員對“發電機”情有獨鐘


如果將燃料電池實現2次電池化,那名稱應稱為“氫-空氣二次電池”。是與鋅(Zn)-空氣電池或鋰(Li)-空氣電池等具有類似反應體系的一種電池,雖然技術上可能不容易實現,但在研發2次電池的眾多研發團隊或人員中,進行以燃料電池的2次電池化為研究目標的研究人員少的不可思議。


其中一個原因是許多開發FC燃料電池的研究人員認為FC就像是“發電機”一樣的存在而并不是像其他電池一樣的“電化學電池”。如果是發電機的話,燃料從外部放入,與通過外部電源再充電并重復使用完全不是一回事。一些FC研究人員認為,他們不能理解將這樣的FC電池二次電池化的優勢何在。


有企業進行了十年以上的開發


盡管研究人員很少,但也不是說沒有。例如日本高砂熱工業和產業技術研究所就是目前正在開發可逆FC的公司/研究機構的其中之一,研究人員一般稱二次電池型FC為“可逆FC”,“可逆電池”等。這是因為通過充電進行水分解,由氫和氧放電(發電)所產生的水可逆地返回成氫和氧。高砂熱工在2000年中期開始開發,目前據說研發仍在持續進行。該公司試制的原型可逆電池在日本國家先進工業科學與技術研究所福島可再生能源研究中心被使用中(圖A-1)。


(a)當光伏發電過剩時,將電力轉換為氫氣

(b)太陽能發電和儲氫合金設備((a)除外)

圖A-1相同的燃料電池既用于發電又用于水分解


在福島可再生能源研究中心運行的水電解燃料電池集成型電池及其外圍系統(a)。當太陽能發電對于電力系統出現過剩時,從電網互連切換到水電解產生氫氣并將其存儲在罐中。另一方面,當電力系統的電力趨于不足時,儲存的氫氣用于燃料電池中以發電并連接到系統。此外還獨立進行了儲氫合金的研究(b)。使用時的問題之一是切換水電解和燃料電池模式需要花費大約10~30分鐘,時間較長。


而之所以開發這一系統的原因是因為通過在一個電池中切換發電和水電解,與同時設置FC電池和水電解裝置相比,既節省了空間又降低了設備成本。具體地,當日照條件良好并且光伏發電系統產生的電力對電力系統過剩時,可逆電池通過使用電力用作水電解裝置。產生的氫存儲在儲氫合金罐等中。據說2019年1月底,在東京開始用于充填FCV汽車的氫氣就是這樣生產的。


另一方面,當電力系統的電力趨于不足時,可逆電池又可用作FC并且使用所存儲的氫產生電力。以這種方式進行功能切換看起來是非常合理的。除了電池,像冷氣和暖氣通過1臺空調,在不同時段進行切換運作是一樣的原理。


相反,即使這些設備被分成兩個設備,同時使用這些功能的場景也是很難想象的,因為一邊使用電力一邊用于發電,損失會很大。換句話說,可逆電池就像是頻率濾波器一樣可用于平衡電力系統的輸出波動。


“空氣呼吸”和“肺部呼吸”可以切換嗎?


盡管擁有這些優點,但高砂熱工業尚沒將其研發的可逆電池實現商業化,原因仍然是技術難度。其中之一是無法實現瞬間切換功能,切換“需要10~30分鐘”。


高砂熱工用之前的技術資料解釋了這個原因。當可逆電池被用作水電解槽時,電池內必須充滿水,這樣其內所產生的氧氣和氫氣會自然向外流出。然而,當之后可逆電池被用作FC燃料電池時,為了確保氫氣和氧氣有足夠充分的流路,填充電池的水必須充分排出。就好像水電解過程中是采用魚式呼吸,FC發電時是采用肺呼吸一樣,切換需要時間。


雖然目前還不清楚是否這一問題會成為商業化的重大阻礙,但從技術層面來看這肯定是一個棘手的事情。此外,對于水電解與FC來說最佳催化劑的類型和用量也不同,所以必須選擇能兼顧兩種技能的中間催化劑,而其結果就是每一個機能的性能都沒有達到單功能裝置的同等效果,這可以說是存在的另一個課題。


接近量產化的“MH空氣電池”


不同于FC二次電池化的開發目的,還有一個例子是開發“氫/空氣二次電池”。同志社大學理工學院盛満正嗣教授的實驗團隊與FDK正在從事這一開發。


盛滿先生等人所進行開發的研發與PEFC結合PEM型水電解設備有著巨大差異(圖A-2)。最大的不同之處在于利用儲氫合金用于負極,而電解質是堿性的。好比是鎳氫電池(Ni-MH)中采用空氣電極作為正極,也可以說是“MH-空氣電池”。


(a)氫-空氣二次電池的機理(放電時)

(b)容量為2Ah的試制電池(正面是空氣電極,PTFE網)

(c)固定式電池用于固定裝置

圖A-2 活用靈活性,假設固定式應用


由同志社大學盛滿實驗室與FDK共同開發的氫/空氣可充電電池概要(a)。使用空氣電極作為正極,氫氧化鉀(KOH)水溶液作為電解液,儲氫合金作為負極。與燃料電池不同,它不使用氫分子(H 2)也不進行氫氣填充。由于水溶液是堿性的,因此H +不會從負極中出來。在充電時,它通過類似于堿性水電解的原理從負極界面處的水中吸收H +。由于在放電時產生的是H 2 O,因此與金屬-空氣電池不同,“正電極上不會積聚灰導致窒息”。 2Ah的試制電池非常薄,與具有相同容量的LIB電池相比更加緊湊(b)。今后的開發將基于提高體積能量密度為核心,預計其主要應用于固定型蓄電池應用(c)。


最初,盛滿實驗室預想是針對Zn空氣電池開發高性能的空氣極(正極)。但鋅枝晶問題難以解決,所以調整為通過與對儲氫合金(MH)技術研發造詣深厚的FDK共同開發,來實現Ni-MH電池商業化為目標。


在該電池中,氫并不包含在MH分子(H 2)的形式中。此外,由于電解質溶液是堿性的,在H +試圖從MH 離開的瞬間,就會遇到OH -離子變成水。


盛滿實驗室通過試制品所確認到的電池特性可達到體積能量密度為900Wh / L,重量能量密度為136Wh/kg,并且按計劃在2020年3月將更新性能,預計在2024年將達到1500 Wh/L和250Wh/kg。另一方面,FDK則證實了電池在至少500次循環之前沒有明顯的劣化。“在各種空氣電池中,到目前為止還沒有其他種類電池達到過類似的循環壽命”(FDK)。


目前預計的應用用途是“用于電力系統穩定化的固定式蓄電池”(盛滿先生)。考慮到使用MH重量比較重,以及便攜式應用領域重量能量密度比較低,水基系電池可實現大容量及高安全性。另一方面,考慮到車載用途震動劇烈等等情況的話,該產品如果商業化可能會對固定式電池市場產生較大影響。


稿件來源: NE時代
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