大多數(shù)現(xiàn)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(shuō)是一次性的。
實(shí)際上從原理上來(lái)看的話,燃料電池是可能實(shí)現(xiàn)2次電池化的,特別是發(fā)電或者說(shuō)放電時(shí)使用的固體高分子型燃料電池(PEFC),與水電解即充電時(shí)使用的PEM型水電解裝置在電極以及電池結(jié)構(gòu)上幾乎是相同的,化學(xué)反應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)“H2One”,就是將PEFC和PEM型水電解槽,儲(chǔ)氫系統(tǒng)等集中在一個(gè)容器中。從某種意義上說(shuō),整個(gè)容器即具備像二次可充電電池一樣的機(jī)能。
研究人員對(duì)“發(fā)電機(jī)”情有獨(dú)鐘
如果將燃料電池實(shí)現(xiàn)2次電池化,那名稱應(yīng)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(yīng)體系的一種電池,雖然技術(shù)上可能不容易實(shí)現(xiàn),但在研發(fā)2次電池的眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)或人員中,進(jìn)行以燃料電池的2次電池化為研究目標(biāo)的研究人員少的不可思議。
其中一個(gè)原因是許多開(kāi)發(fā)FC燃料電池的研究人員認(rèn)為FC就像是“發(fā)電機(jī)”一樣的存在而并不是像其他電池一樣的“電化學(xué)電池”。如果是發(fā)電機(jī)的話,燃料從外部放入,與通過(guò)外部電源再充電并重復(fù)使用完全不是一回事。一些FC研究人員認(rèn)為,他們不能理解將這樣的FC電池二次電池化的優(yōu)勢(shì)何在。
有企業(yè)進(jìn)行了十年以上的開(kāi)發(fā)
盡管研究人員很少,但也不是說(shuō)沒(méi)有。例如日本高砂熱工業(yè)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所就是目前正在開(kāi)發(fā)可逆FC的公司/研究機(jī)構(gòu)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?yàn)橥ㄟ^(guò)充電進(jìn)行水分解,由氫和氧放電(發(fā)電)所產(chǎn)生的水可逆地返回成氫和氧。高砂熱工在2000年中期開(kāi)始開(kāi)發(fā),目前據(jù)說(shuō)研發(fā)仍在持續(xù)進(jìn)行。該公司試制的原型可逆電池在日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所福島可再生能源研究中心被使用中(圖A-1)。
(a)當(dāng)光伏發(fā)電過(guò)剩時(shí),將電力轉(zhuǎn)換為氫氣
(b)太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)氫合金設(shè)備((a)除外)
圖A-1相同的燃料電池既用于發(fā)電又用于水分解
在福島可再生能源研究中心運(yùn)行的水電解燃料電池集成型電池及其外圍系統(tǒng)(a)。當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)于電力系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)剩時(shí),從電網(wǎng)互連切換到水電解產(chǎn)生氫氣并將其存儲(chǔ)在罐中。另一方面,當(dāng)電力系統(tǒng)的電力趨于不足時(shí),儲(chǔ)存的氫氣用于燃料電池中以發(fā)電并連接到系統(tǒng)。此外還獨(dú)立進(jìn)行了儲(chǔ)氫合金的研究(b)。使用時(shí)的問(wèn)題之一是切換水電解和燃料電池模式需要花費(fèi)大約10~30分鐘,時(shí)間較長(zhǎng)。
而之所以開(kāi)發(fā)這一系統(tǒng)的原因是因?yàn)橥ㄟ^(guò)在一個(gè)電池中切換發(fā)電和水電解,與同時(shí)設(shè)置FC電池和水電解裝置相比,既節(jié)省了空間又降低了設(shè)備成本。具體地,當(dāng)日照條件良好并且光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力對(duì)電力系統(tǒng)過(guò)剩時(shí),可逆電池通過(guò)使用電力用作水電解裝置。產(chǎn)生的氫存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫合金罐等中。據(jù)說(shuō)2019年1月底,在東京開(kāi)始用于充填FCV汽車的氫氣就是這樣生產(chǎn)的。
另一方面,當(dāng)電力系統(tǒng)的電力趨于不足時(shí),可逆電池又可用作FC并且使用所存儲(chǔ)的氫產(chǎn)生電力。以這種方式進(jìn)行功能切換看起來(lái)是非常合理的。除了電池,像冷氣和暖氣通過(guò)1臺(tái)空調(diào),在不同時(shí)段進(jìn)行切換運(yùn)作是一樣的原理。
相反,即使這些設(shè)備被分成兩個(gè)設(shè)備,同時(shí)使用這些功能的場(chǎng)景也是很難想象的,因?yàn)橐贿吺褂秒娏σ贿呌糜诎l(fā)電,損失會(huì)很大。換句話說(shuō),可逆電池就像是頻率濾波器一樣可用于平衡電力系統(tǒng)的輸出波動(dòng)。
“空氣呼吸”和“肺部呼吸”可以切換嗎?
盡管擁有這些優(yōu)點(diǎn),但高砂熱工業(yè)尚沒(méi)將其研發(fā)的可逆電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,原因仍然是技術(shù)難度。其中之一是無(wú)法實(shí)現(xiàn)瞬間切換功能,切換“需要10~30分鐘”。
高砂熱工用之前的技術(shù)資料解釋了這個(gè)原因。當(dāng)可逆電池被用作水電解槽時(shí),電池內(nèi)必須充滿水,這樣其內(nèi)所產(chǎn)生的氧氣和氫氣會(huì)自然向外流出。然而,當(dāng)之后可逆電池被用作FC燃料電池時(shí),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(guò)程中是采用魚(yú)式呼吸,F(xiàn)C發(fā)電時(shí)是采用肺呼吸一樣,切換需要時(shí)間。
雖然目前還不清楚是否這一問(wèn)題會(huì)成為商業(yè)化的重大阻礙,但從技術(shù)層面來(lái)看這肯定是一個(gè)棘手的事情。此外,對(duì)于水電解與FC來(lái)說(shuō)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(jié)果就是每一個(gè)機(jī)能的性能都沒(méi)有達(dá)到單功能裝置的同等效果,這可以說(shuō)是存在的另一個(gè)課題。
接近量產(chǎn)化的“MH空氣電池”
不同于FC二次電池化的開(kāi)發(fā)目的,還有一個(gè)例子是開(kāi)發(fā)“氫/空氣二次電池”。同志社大學(xué)理工學(xué)院盛満正嗣教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與FDK正在從事這一開(kāi)發(fā)。
盛滿先生等人所進(jìn)行開(kāi)發(fā)的研發(fā)與PEFC結(jié)合PEM型水電解設(shè)備有著巨大差異(圖A-2)。最大的不同之處在于利用儲(chǔ)氫合金用于負(fù)極,而電解質(zhì)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(shuō)是“MH-空氣電池”。
(a)氫-空氣二次電池的機(jī)理(放電時(shí))
(b)容量為2Ah的試制電池(正面是空氣電極,PTFE網(wǎng))
(c)固定式電池用于固定裝置
圖A-2活用靈活性,假設(shè)固定式應(yīng)用
由同志社大學(xué)盛滿實(shí)驗(yàn)室與FDK共同開(kāi)發(fā)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(chǔ)氫合金作為負(fù)極。與燃料電池不同,它不使用氫分子(H2)也不進(jìn)行氫氣填充。由于水溶液是堿性的,因此H+不會(huì)從負(fù)極中出來(lái)。在充電時(shí),它通過(guò)類似于堿性水電解的原理從負(fù)極界面處的水中吸收H+。由于在放電時(shí)產(chǎn)生的是H2O,因此與金屬-空氣電池不同,“正電極上不會(huì)積聚灰導(dǎo)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(kāi)發(fā)將基于提高體積能量密度為核心,預(yù)計(jì)其主要應(yīng)用于固定型蓄電池應(yīng)用(c)。
最初,盛滿實(shí)驗(yàn)室預(yù)想是針對(duì)Zn空氣電池開(kāi)發(fā)高性能的空氣極(正極)。但鋅枝晶問(wèn)題難以解決,所以調(diào)整為通過(guò)與對(duì)儲(chǔ)氫合金(MH)技術(shù)研發(fā)造詣深厚的FDK共同開(kāi)發(fā),來(lái)實(shí)現(xiàn)Ni-MH電池商業(yè)化為目標(biāo)。
在該電池中,氫并不包含在MH分子(H2)的形式中。此外,由于電解質(zhì)溶液是堿性的,在H+試圖從MH離開(kāi)的瞬間,就會(huì)遇到OH-離子變成水。
盛滿實(shí)驗(yàn)室通過(guò)試制品所確認(rèn)到的電池特性可達(dá)到體積能量密度為900Wh/L,重量能量密度為136Wh/kg,并且按計(jì)劃在2020年3月將更新性能,預(yù)計(jì)在2024年將達(dá)到1500Wh/L和250Wh/kg。另一方面,F(xiàn)DK則證實(shí)了電池在至少500次循環(huán)之前沒(méi)有明顯的劣化。“在各種空氣電池中,到目前為止還沒(méi)有其他種類電池達(dá)到過(guò)類似的循環(huán)壽命”(FDK)。
目前預(yù)計(jì)的應(yīng)用用途是“用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定化的固定式蓄電池”(盛滿先生)�?紤]到使用MH重量比較重,以及便攜式應(yīng)用領(lǐng)域重量能量密度比較低,水基系電池可實(shí)現(xiàn)大容量及高安全性。另一方面,考慮到車載用途震動(dòng)劇烈等等情況的話,該產(chǎn)品如果商業(yè)化可能會(huì)對(duì)固定式電池市場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。
(責(zé)任編輯:子蕊)