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隔离膜:氢溴储能系统的最大难题
在研究和探索大规模电化学储能装置的过程中,人们开始把注意力集中在氢溴储能系统。这两种反应物有一些独特的品性,引人关注。和锂相比,溴价格便宜,容易获得,且储量丰富。其原子序数为35,是一种卤素,最外层上有7个电子,容易形成8电子稳定结构,所以是活泼的非金属单质,而氢恰恰可以提供一个电子。因此在氢和溴之间可极其迅速地发生化学反应,其速度比氢氧反应要快,其电流也较大,而目前的高容量电化学储能装置大多依靠氢氧化学反应。
但当氢和溴发生自发反应时,由于反应过于迅速,其能量大多会以热能的形式白白浪费掉。为了解决这一难题,电化学储能系统的设计师们通常利用价格不菲的隔离膜将其分开。有膜氢溴储能系统又存在另外一个问题,就是随着时间的推移,当电化学储能设备内部产生氢溴酸后,会损坏隔离膜。因此,30年来氢溴液流电池的研究进展十分缓慢。
其实答案十分明显,如果要想有效地开发利用氢溴电化学储能系统,最重要的是要想办法摆脱掉隔离膜。有这样想法的人很多,不仅是现在的科学家想到了,过去也有人想到过这样的方法。在过去的10年中,有许多科学家已经开发出了无膜氢溴电化学储能系统。这些系统主要利用流体力学的层流技术,使反应物发生分离。在正确的条件下,两种液体流并行流动,两者之间很少或几乎不发生混合。不过这样的无膜电化学储能系统的电功率从来没有超过有膜系统,因此无膜电化学储能系统一般作为一种学术兴趣来开展研究,在商业上不存在可行性。
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。
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