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简述锌液流式空气燃料电池的研究进展

2020-07-28  点赞527   浏览量:894
世界人口的增加、环境污染问题和全球气候的变迁及暖化,都威胁着人类的永续生存。许多先进国家均致力提升含碳燃料的使用效率及研发无碳燃料的技术,如金属燃料电池技术,盼最终可使用电能作为车辆能源以减少对环境的污染。
 
而最新的储能液流式金属燃料电池,更是希望能将锌燃料电池实用化,使高功率的锌燃料电池能应用于电动车上、并成为高效率的储能电池。锌空气电池(zinc-air fuel cell)为一种金属燃料电池,以锌作为燃料,利用锌的氧化与氧的还原产生电能,且反应所得产物不会产生任何污染,该电池与现行较为广泛的氢燃料电池可说是相似类型的电力来源。
 
电池原料与放电机制大评比!这两种电池在构造与製程上有部分相同点,但由于燃料锌与燃料氢的物理性不同,因此也有一些差异,其中最重要的三点是:
(1)氢易燃,具高危险性,锌相对安定安全;
(2)氢常温常压下为气体,密度小,因此其作为燃料时,能量密度很小;
(3)锌空气电池因有一金属电极,即使在内部不发生电化学反应时仍可储存部份电量。
此外,锌空气电池的关键技术在于,其提出更完善的液流锌颗粒阳极机制。过去曾有文献指出,金属在电解液中活性较强,容易和电解液发生化学反应,进而造成电化学腐蚀并生成氢气,且金属表面所产生的氧化物未能完全参与电化学反应而导致整体电池无法发挥到最大性能,而锌-空气电池成功克服了这一点。
  简述锌液流式空气燃料电池的研究进展

图一:空气电池的运作机制与各项金属评比;其中,阳极为金属,如锌、锂、镁、铝等金属,而阴极则为空气极。此类电池及潜能无穷,具有价格便宜与能量密度高等优势,可于小型可携式电子产品得到应用。

更乾净可得的能源材料此外,以元素锌作为能源载体,相较于其他洁净能源作为车辆动力及储能应用的优势在于:首先,锌空气燃料电池使用氧气(O2)以及锌金属(Zn)为阴阳极,不仅原料取得容易,对环境的污染程度亦较其他电池能源低,可谓乾净、方便且可靠性佳的能源系统;其二,锌二次电池兼具能量密度高及化性稳定储存容易等性质,其放电电压相当稳定。目前工业界亦大量使用锌金属、氧化锌作为原料,显见锌金属供应无虞且成本低廉,有利于使用者端之推广。
 
锌空气燃料电池相对于其它电池的能量密度及功率密度皆高,足以弥补许多二次电池动力系统的不足,且地球上锌原料充足,反应产物不会产生任何污染,相关电池技术也可适用于其它的金属-空气燃料电池。基于锌空气燃料电池具有许多优点,美国、俄罗斯、中国及一些先进国家也都开始积极投入研发。
 
简述锌液流式空气燃料电池的研究进展

图二:此图为各系统技术每次循环 2、4 及 8 小时后的发电摊提成本示意图。成本是分散式储能的关键;;短期目标为每次循环中每瓩 0.1 元,长期目标则是每次循环里每瓩花费 0.025 元。

锌-空气燃料电池能源效率佳,
未来极具潜力!
依燃料电池推广成效而言,目前氢燃料电池的实用仍面临相当挑战,而锌燃料电池深具潜力。目前不少科学研究团队已积极投入锌空气燃料电池的研发,且锌燃料电池犹如发电机系统,经过适当的电力元件匹配,能让能源效率处在最佳状况及减少燃料电池附属系统的複杂性。
 
台北科技大学进车辆动力系统实验室,透过持续研发及验证,深入探讨锌燃料电池之空气、水热管理、电能测控及系统整合、分析与测试等关键性技术问题,并掌握关键的液流电池(flow battery)技术,能有效提升锌燃料电池的可用性及性能,其最大功率密度已发展至553.6mW/cm2、最大功率点电流密度达684.4mA/cm2。
 
会呼吸的空气燃料电池,
它们是怎幺运作的?
在世界各国开发的新能源中,燃料电池是最适于投入发展的选择;与一次电池及二次电池不同,其特色在于正负两极并无活性物质存在,反之需持续由外部提供活性物质,使电池就能够不断地放电。
 
在正极的部分,真正进行氧化反应的是空气或氧气,而在负极的部分,则是以氢气或煤气等为主,此类电池中具代表性的就是氢氧燃料电池。而金属燃料电池是以空气中的氧气作为电池中的氧化物,并且使用金属物质作为负极,这样的结构在让电池具有前文所述的高能量密度、长期保存性及低成本等特性。
 
目前使用中的锌空气燃料电池、镁空气燃料电池与铝空气燃料电池等都是常见的例子,其中又以锌空气燃料电池最具代表性。简单来说,锌空气燃料电池是「会呼吸的电池」。空气中的氧进入电池中,在正极上参与电化学反应,在此过程中氧气会被消耗,所以必须不断地从外部空气中取得氧气。
简述锌液流式空气燃料电池的研究进展  
氧气在大气中佔有21%,在能源的成本上相当便宜;另一部分反应的物质锌,其参与电池中的负极化学反应。在反应过程中,金属锌会氧化成氧化锌,并沉澱在电解液中;只需收集反应后的氧化锌,并将氧化锌电解还原成锌,便可再生再利用。另外,锌空气燃料电池在产生电能后,产物主要有二,即水气与氧化锌,这些物质经处理后皆可再使用,所以相当环保。
简述锌液流式空气燃料电池的研究进展
图三:锌的特色与优点,就是化学性能稳定且具有最高的能量荷重比。
持续远征──推动电池储能系统商业化锌-空气电池无论在性能方面,还是在成本方面,其综合性价比有着显着的优势。综合各种因素,锌空气电池儘管还有一步完善的空间,也很有可能成为电动自行车电源的最佳选择之一,有着深远的发展前景。
 
此外,锌-空气电池不仅能量高,其零污染、不燃爆、可迴圈利用等特点,也非常适宜用作城市电动车的动力电源,具有很大的开发潜能,使得人们对它的研究逐步转移到大功率动力电池上,成了各研究机构的开发重点。锌空气二次电池主要有直接再充式锌空气电池、机械更换式锌空气电池、锌-空气燃料电池等。
 
随着太阳能和风能装置量在偏乡离网地区逐年增加,为了让住户在晚上、长时间有电可用,储能系统是不可或缺的设备。虽然锌空气电池功率与规模都还比不上锂离子电池与铅酸电池,但由于其具有成本优势,相当适合发展大规模电池储能系统。锌空气电池从整体来讲是一个複杂的系统,经各国科学家数十年的努力,至今已经取得显着进展,但要使锌空气电池真正走上商业化的道路,还需更多努力。

 

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