氧化还原流动电池以氢气的形式储存可再生能源

谈到可再生能源，最大的问题可能是：我们如何储存所有的能源供日后使用？因为这种能量在自然界是间歇性的，所以在有剩余的时候储存是保证雨天（字面意思是雨天）、夜间或不刮风时可以保持持续供应的关键。

使用现在的锂离子电池进行长期的电网存储是不可行的，原因有很多。例如，它们有固定的充电容量，并且在很长一段时间内不能很好地保持电量，其造价和维护成本并不便宜。

有人提出，解决办法是以氢燃料的化学形式而不是电的形式储存能量。这包括使用称为电解槽的装置，利用可再生能源将水分解成氢气和氧气。

华盛顿太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）负责固定能源储存研究的首席科学家Wei Wang说：“氢是这类工作非常好的载体。它是一种高效的能源载体，可以很容易地储存在加压罐中。当需要的时候，这些气体可以通过燃料电池转换回电能，然后送入电网。

但是水电解槽很贵。它们在酸性条件下工作，需要耐腐蚀的金属板和由钛、铂和铱等贵金属制成的催化剂。奥斯陆一家专门从事制氢和储氢的公司Nel Hydrogen的研发副总裁Kathy Ayers说：“不仅如此，氧电极的效率也不高。她说：“你失去了大约0.3伏特，仅仅是因为你试图将水转化为氧气，或者反之亦然。分裂水分子需要1.23伏的能量。”

为了克服这一问题，在获得美国能源部高级研究项目机构Energy的资助后，Nel Hydrogen和Wang在太平洋西北的团队于2016年联手，提出的解决方案是一种既能作为电池又能作为氢气发生器的燃料电池。

“我们称之为氧化还原流电池，因为它是氧化还原流电池和水电解槽的混合体，”Wang解释说。

Photo: Nel HydrogenNel Hydrogen's reversible fuel cell system.

氧化还原液流电池，本质上是一种可逆的燃料电池，通常由储存在两个独立油箱中的正极和负极电解液组成。当液体被泵入位于两个罐之间的电池组时，就会发生氧化还原反应，并在电池的电极上产生电能。

相比之下，新发明只有一种电解质，由溶解在酸中的铁盐（而不是更常用的钒）组成。当氢离子与铁盐（Fe2+）反应时，电池组中涂有铂的碳阴极会产生氢气。

“我们引入铁作为中间人，因此我们可以将电解分为两个反应，”Wang说。这样做可以控制何时何地反向反应，产生电能供应电网。他说，“在反反应中再生Fe2+也可以连续生产氢气。而且由于氢铁电池使用的电压大约是传统电解槽的一半，如果你做得好，你可以以更低的成本产生氢气。”

这也有助于铁比钒更便宜和更丰富。

新加坡国立大学（National University of Singapore）的材料科学家Qing Wang看到了另一个好处。他说：“如果你更关心纯度，想拥有超纯氢，那么也许这是一个很好的解决方案。电解过程中有时会发生交叉污染，因为产生的氢气和氧气非常小，它们能够穿过膜分离器。”

新的氧化还原流动电池在实验室测试中表现良好，显示出高达每平方厘米1安培的充电能力，比正常流动电池增加了10倍。它还能够承受“几百次循环”的充电，这在氢离子流电池中从未被证明过，Wang说，他拥有多项发明专利，还有几项正在申请中。

当PNNL团队在一个10平方厘米的单电池上进行实验时，Nel Hydrogen公司的Ayers和她的同事们证明，即使将这项技术扩展到一个100平方厘米的5个电池组，它也可以工作。他们计划在接下来的几个月里对系统进行微调，消除扭结，比如在将其商业化之前，如何将酸性电解液对泵造成的损害降到最低。