- 科技報導
文章專區
2019-09-18簡述鋅液流式空氣燃料電池的研究進展
453 期
Author 作者
蔡佳玲／中原大學化學研究所碩士。
世界人口的增加、環境污染問題和全球氣候的變遷及暖化，都威脅著人類的永續生存。許多先進國家均致力提升含碳燃料的使用效率及研發無碳燃料的技術，如金屬燃料電池技術，盼最終可使用電能作為車輛能源以減少對環境的污染。
而最新的儲能液流式金屬燃料電池，更是希望能將鋅燃料電池實用化，使高功率的鋅燃料電池能應用於電動車上、並成為高效率的儲能電池。鋅空氣電池（zinc-air fuel cell）為一種金屬燃料電池，以鋅作為燃料，利用鋅的氧化與氧的還原產生電能，且反應所得產物不會產生任何污染，該電池與現行較為廣泛的氫燃料電池可說是相似類型的電力來源。
電池原料與放電機制大評比！
這兩種電池在構造與製程上有部分相同點，但由於燃料鋅與燃料氫的物理性不同，因此也有一些差異，其中最重要的三點是：
（1）氫易燃，具高危險性，鋅相對安定安全；
（2）氫常溫常壓下為氣體，密度小，因此其作為燃料時，能量密度很小；
（3）鋅空氣電池因有一金屬電極，即使在內部不發生電化學反應時仍可儲存部份電量。
此外，鋅空氣電池的關鍵技術在於，其提出更完善的液流鋅顆粒陽極機制。過去曾有文獻指出，金屬在電解液中活性較強，容易和電解液發生化學反應，進而造成電化學腐蝕並生成氫氣，且金屬表面所產生的氧化物未能完全參與電化學反應而導致整體電池無法發揮到最大性能，而鋅-空氣電池成功克服了這一點。
圖一：空氣電池的運作機制與各項金屬評比；其中，陽極為金屬，如鋅、鋰、鎂、鋁等金屬，而陰極則為空氣極。此類電池及潛能無窮，具有價格便宜與能量密度高等優勢，可於小型可攜式電子產品得到應用。
更乾淨可得的能源材料
此外，以元素鋅作為能源載體，相較於其他潔淨能源作為車輛動力及儲能應用的優勢在於：首先，鋅空氣燃料電池使用氧氣（O2）以及鋅金屬（Zn）為陰陽極，不僅原料取得容易，對環境的污染程度亦較其他電池能源低，可謂乾淨、方便且可靠性佳的能源系統；其二，鋅二次電池兼具能量密度高及化性穩定儲存容易等性質，其放電電壓相當穩定。目前工業界亦大量使用鋅金屬、氧化鋅作為原料，顯見鋅金屬供應無虞且成本低廉，有利於使用者端之推廣。
鋅空氣燃料電池相對於其它電池的能量密度及功率密度皆高，足以彌補許多二次電池動力系統的不足，且地球上鋅原料充足，反應產物不會產生任何污染，相關電池技術也可適用於其它的金屬-空氣燃料電池。基於鋅空氣燃料電池具有許多優點，美國、俄羅斯、中國及一些先進國家也都開始積極投入研發。
圖二：此圖為各系統技術每次循環 2、4 及 8 小時後的發電攤提成本示意圖。成本是分散式儲能的關鍵;；短期目標為每次循環中每瓩 0.1 元，長期目標則是每次循環裡每瓩花費 0.025 元。
鋅-空氣燃料電池能源效率佳，
未來極具潛力！
依燃料電池推廣成效而言，目前氫燃料電池的實用仍面臨相當挑戰，而鋅燃料電池深具潛力。目前不少科學研究團隊已積極投入鋅空氣燃料電池的研發，且鋅燃料電池猶如發電機系統，經過適當的電力元件匹配，能讓能源效率處在最佳狀況及減少燃料電池附屬系統的複雜性。
臺北科技大學進車輛動力系統實驗室，透過持續研發及驗證，深入探討鋅燃料電池之空氣、水熱管理、電能測控及系統整合、分析與測試等關鍵性技術問題，並掌握關鍵的液流電池（flow battery）技術，能有效提升鋅燃料電池的可用性及性能，其最大功率密度已發展至553.6mW/cm2、最大功率點電流密度達684.4mA/cm2。
會呼吸的空氣燃料電池，
它們是怎麼運作的？
在世界各國開發的新能源中，燃料電池是最適於投入發展的選擇；與一次電池及二次電池不同，其特色在於正負兩極並無活性物質存在，反之需持續由外部提供活性物質，使電池就能夠不斷地放電。
在正極的部分，真正進行氧化反應的是空氣或氧氣，而在負極的部分，則是以氫氣或煤氣等為主，此類電池中具代表性的就是氫氧燃料電池。而金屬燃料電池是以空氣中的氧氣作為電池中的氧化物，並且使用金屬物質作為負極，這樣的結構在讓電池具有前文所述的高能量密度、長期保存性及低成本等特性。
目前使用中的鋅空氣燃料電池、鎂空氣燃料電池與鋁空氣燃料電池等都是常見的例子，其中又以鋅空氣燃料電池最具代表性。簡單來說，鋅空氣燃料電池是「會呼吸的電池」。空氣中的氧進入電池中，在正極上參與電化學反應，在此過程中氧氣會被消耗，所以必須不斷地從外部空氣中取得氧氣。
氧氣在大氣中佔有21%，在能源的成本上相當便宜；另一部分反應的物質鋅，其參與電池中的負極化學反應。在反應過程中，金屬鋅會氧化成氧化鋅，並沉澱在電解液中；只需收集反應後的氧化鋅，並將氧化鋅電解還原成鋅，便可再生再利用。另外，鋅空氣燃料電池在產生電能後，產物主要有二，即水氣與氧化鋅，這些物質經處理後皆可再使用，所以相當環保。
圖三：鋅的特色與優點，就是化學性能穩定且具有最高的能量荷重比。
持續遠征──推動電池儲能系統商業化
鋅-空氣電池無論在性能方面，還是在成本方面，其綜合性價比有著顯著的優勢。綜合各種因素，鋅空氣電池儘管還有一步完善的空間，也很有可能成為電動自行車電源的最佳選擇之一，有著深遠的發展前景。
此外，鋅-空氣電池不僅能量高，其零污染、不燃爆、可迴圈利用等特點，也非常適宜用作城市電動車的動力電源，具有很大的開發潛能，使得人們對它的研究逐步轉移到大功率動力電池上，成了各研究機構的開發重點。鋅空氣二次電池主要有直接再充式鋅空氣電池、機械更換式鋅空氣電池、鋅-空氣燃料電池等。
隨著太陽能和風能裝置量在偏鄉離網地區逐年增加，為了讓住戶在晚上、長時間有電可用，儲能系統是不可或缺的設備。雖然鋅空氣電池功率與規模都還比不上鋰離子電池與鉛酸電池，但由於其具有成本優勢，相當適合發展大規模電池儲能系統。鋅空氣電池從整體來講是一個複雜的系統，經各國科學家數十年的努力，至今已經取得顯著進展，但要使鋅空氣電池真正走上商業化的道路，還需更多努力。