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无膜氢溴储能系统的大胆创新

麻省理工学院机械工程系的研究人员产生了一个大胆又新颖的想法，就是能否综合无膜储能系统和氢溴化学性质的各自优势，把两个有局限的系统放在一起，获得比任何一个单独系统要好的结果。这一方法有望摆脱隔离膜阻碍燃料电池发展的弊端，同时还可以取代传统的无膜氧基电池表现不佳的缺点。

氢溴反应有一个最大的特点就是其反应的可逆性。通常无膜燃料电池进去的反应物和出来的产品是不同的，因此这些系统通常是“直流”燃料电池，需要不断输入新鲜的反应物。氢溴化学反应的产品是电解质。电解液输回电池，从外部充电，可形成溴和氢分子，从而达到充电的效果。这样就可以形成一个“闭环”模式，使无膜充电电池成为可能。

麻省理工学院设计的最新氢溴电化学储能系统的顶部是一种含有少量铂(Pt)催化剂的多孔阳极，底部是固体石墨阴极。阳极和阴极之间流动着电解液氢溴酸，含有带负电荷的溴离子和带正电的氢离子。

在放电模式下，氢溴酸电解质从左侧进入主通道，在电极之间流动，底部的多孔阳极金属网阻止电解液渗透。氢气从顶部进入，同时，氢溴酸以及少量的中性分子溴通过一个单独的通道进入。在阳极，铂催化分解氢气，形成带正电的氢离子和带负电荷的电子，然后通过不同的路径移动到阴极。氢离子通过电解液，而电子经外部电路流出，提供电能。在阴极，溴吸收电子，成为带负电荷的离子。带负电的溴离子与带正电的氢离子形成氢溴酸电解液。在充电过程中，氢溴酸回注到电池，氢离子回到正极，形成氢气，分子溴则在阳极生成。

依靠层流技术的关键是防止反应物达到“错误”的电极。这种现象称为交叉，可对阳极催化剂造成损害。在新设计中,金属网可使氢气进入电解液。

根据最新的数值模型，研究人员发现，在电池的不同地方分子溴的浓度不同。在阴极，溴变成氢溴酸，溴在扩散到电解液的流动过程中，其浓度会降低。如果时间充分，溴最终会流动到阳极，带来不必要的交叉影响。不过研究人员在设计中注意到了这个问题，并采取了措施以确保溴分子反应物不会达到阳极。

原型电池储能的高效率及低成本令人欣喜

为了测试无膜氢溴储能系统的概念，研究人员设计了一个小的原型电池。它由两个0.8毫米的电极，1.4厘米长的流道及引导反应物进入设备的入口组成。研究人员根据不同的流量和不同的反应物浓度对原型电池进行了一系列实验。即便在尚未优化的条件下，该电池在室温和室内压力下，其最大功率密度为795毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。其性能与最佳有膜氢溴电池相当，比其他无膜电化学储能设备高两到三倍。

原型电池的充电效率同样令人兴奋。研究人员在闭环模式下，把回收的反应产品充入设备中进行充电。在反向操作中，对纯氢溴酸加电，成功制备出氢和溴。正向和反向模式的实验结果显示，反应物浓度越高，功率密度越高，双向电压效率达200mW/cm2的超过90%，是峰值功率的25%。这些结果表明原型电池的充放电效率均具有非常大的潜力。

初步的成本估算也令人十分欣喜。传统的有膜燃料电池，催化剂和隔离膜约占总成本的一半。新氢溴电池不需要隔离膜，没有阴极催化剂，阳极催化剂用量很少。此外，由于氢溴电池的功率密度较高，系统所需能源大小减少，这也进一步降低了成本。研究人员目前还在继续改善他们的系统，试图让电极靠得更近，以获得更高的功率密度。由于所有的反应发生得很快，即便没有隔离膜的限制，氢离子穿过电解液的速度依然有一定的限制。此外，他们正在开发全新的电池结构，确保电解液在闭环操作的捕获和回收过程中，不含有溴分子。

原标题：新型无膜氢溴电池应用前景广阔

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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