燃料電池的覺醒：2次電池化
時間:2019-04-17 22:25來源:NE時代 作者:綜合報(bào)道
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實(shí)際上從原理上來看的話，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(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，儲氫系統(tǒng)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(jī)能。
研究人員對“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。
其中一個原因是許多開發(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)勢何在。
有企業(yè)進(jìn)行了十年以上的開發(fā)
盡管研究人員很少，但也不是說沒有。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^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年中期開始開發(fā)，目前據(jù)說研發(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)電過剩時，將電力轉(zhuǎn)換為氫氣
（b）太陽能發(fā)電和儲氫合金設(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)太陽能發(fā)電對于電力系統(tǒng)出現(xiàn)過剩時，從電網(wǎng)互連切換到水電解產(chǎn)生氫氣并將其存儲在罐中。另一方面，當(dāng)電力系統(tǒng)的電力趨于不足時，儲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(fèi)大約10~30分鐘，時間較長。
而之所以開發(fā)這一系統(tǒng)的原因是因?yàn)橥ㄟ^在一個電池中切換發(fā)電和水電解，與同時設(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)生的電力對電力系統(tǒng)過剩時，可逆電池通過使用電力用作水電解裝置。產(chǎn)生的氫存儲在儲氫合金罐等中。據(jù)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(chǎn)的。
另一方面，當(dāng)電力系統(tǒng)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(chǎn)生電力。以這種方式進(jìn)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(diào)，在不同時段進(jìn)行切換運(yùn)作是一樣的原理。
相反，即使這些設(shè)備被分成兩個設(shè)備，同時使用這些功能的場景也是很難想象的，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(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，但高砂熱工業(yè)尚沒將其研發(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)資料解釋了這個原因。當(dāng)可逆電池被用作水電解槽時，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，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，F(xiàn)C發(fā)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(yè)化的重大阻礙，但從技術(shù)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(jié)果就是每一個機(jī)能的性能都沒有達(dá)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(chǎn)化的“MH空氣電池”
不同于FC二次電池化的開發(fā)目的，還有一個例子是開發(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正在從事這一開發(fā)。
盛滿先生等人所進(jìn)行開發(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，也可以說是“MH-空氣電池”。
（a）氫-空氣二次電池的機(jī)理（放電時）
（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+不會從負(fù)極中出來。在充電時，它通過類似于堿性水電解的原理從負(fù)極界面處的水中吸收H+。由于在放電時產(chǎn)生的是H2O，因此與金屬-空氣電池不同，“正電極上不會積聚灰導(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Zn空氣電池開發(fā)高性能的空氣極（正極）。但鋅枝晶問題難以解決，所以調(diào)整為通過與對儲氫合金（MH）技術(shù)研發(fā)造詣深厚的FDK共同開發(fā)，來實(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離開的瞬間，就會遇到OH-離子變成水。
盛滿實(shí)驗(yàn)室通過試制品所確認(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(dá)到過類似的循環(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）。考慮到使用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劇烈等等情況的話，該產(chǎn)品如果商業(yè)化可能會對固定式電池市場產(chǎn)生較大影響。
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