麻省理工學院開發出新型無膜氫溴電池 低成本高容量

　　無膜氫溴儲能系統的大膽創新
　　麻省理工學院機械工程系的研究人員產生了一個大膽又新穎的想法，就是能否綜合無膜儲能系統和氫溴化學性質的各自優勢，把兩個有局限的系統放在一起，獲得比任何一個單獨系統要好的結果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發展的弊端，同時還可以取代傳統的無膜氧基電池表現不佳的缺點。
　　氫溴反應有一個最大的特點就是其反應的可逆性。通常無膜燃料電池進去的反應物和出來的產品是不同的，因此這些系統通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。氫溴化學反應的產品是電解質。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達到充電的效果。這樣就可以形成一個“閉環”模式，使無膜充電電池成為可能。
　　麻省理工學院設計的最新氫溴電化學儲能系統的頂部是一種含有少量鉑(Pt)催化劑的多孔陽極，底部是固體石墨陰極。陽極和陰極之間流動著電解液氫溴酸，含有帶負電荷的溴離子和帶正電的氫離子。
　　在放電模式下，氫溴酸電解質從左側進入主通道，在電極之間流動，底部的多孔陽極金屬網阻止電解液滲透。氫氣從頂部進入，同時，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過一個單獨的通道進入。在陽極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負電荷的電子，然后通過不同的路徑移動到陰極。氫離子通過電解液，而電子經外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負電荷的離子。帶負電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子溴則在陽極生成。
　　依靠層流技術的關鍵是防止反應物達到“錯誤”的電極。這種現象稱為交叉，可對陽極催化劑造成損害。在新設計中，金屬網可使氫氣進入電解液。
　　根據最新的數值模型，研究人員發現，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴散到電解液的流動過程中，其濃度會降低。如果時間充分，溴最終會流動到陽極，帶來不必要的交叉影響。不過研究人員在設計中注意到了這個問題，并采取了措施以確保溴分子反應物不會達到陽極。
　　原型電池儲能的高效率及低成本令人欣喜
　　為了測試無膜氫溴儲能系統的概念，研究人員設計了一個小的原型電池。它由兩個0.8毫米的電極，1.4厘米長的流道及引導反應物進入設備的入口組成。研究人員根據不同的流量和不同的反應物濃度對原型電池進行了一系列實驗。即便在尚未優化的條件下，該電池在室溫和室內壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當，比其他無膜電化學儲能設備高兩到三倍。
　　原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環模式下，把回收的反應產品充入設備中進行充電。在反向操作中，對純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實驗結果顯示，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達200mW/cm2的超過90%，是峰值功率的25%。這些結果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。
　　初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒有陰極催化劑，陽極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統所需能源大小減少，這也進一步降低了成本。研究人員目前還在繼續改善他們的系統，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應發生得很快，即便沒有隔離膜的限制，氫離子穿過電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開發全新的電池結構，確保電解液在閉環操作的捕獲和回收過程中，不含有溴分子。