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刷爆网络的"水氢发动机":隐藏着很多秘密
2019-05-29 21:39:31  出处:科普中国  作者:唐阳 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接

本文专家:唐阳,北京化工大学电化学研究所副所长,副教授

近日,关于“水氢发动机在南阳下线”的消息引起社会的广泛关注和质疑。

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图片来源网络

据报道,青年汽车集团有限公司研发的“车载水解制氢”系统可“实时制取氢”,并且在南阳试制了“车载水解制氢”氢能源汽车。

相关项目负责人介绍,技术的基本原理是“铝合金粉末+催化剂+水”反应制氢。在催化剂作用下,‘制氢材料’与水反应产生氢气,氢气通过氢电堆产生电,给电机供电,驱动车辆行驶。

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图片来源:新华网报道

关于此次事件我们暂且不过多评论,那么,铝合金+水+催化剂真的能制取氢气吗?而又为什么采用铝合金粉末为主要元素呢?我们一起来看!

为什么采用铝元素?

铝是地球中丰度最高的金属元素,但是铝金属单质本身性质活泼,在自然界中普遍以化合物形式存在。

虽然铝单质的化学性质较为活泼,但铝及其合金在自然环境中具有较强的耐蚀性,这是因为铝及其合金表面易生成致密的氧化膜。

因为铝的原子量较小,氧化价态高,能置换的氢气量相对较多,所以采用了铝元素为主要元素之一。

除此之外,铝尤其铝合金具有机械强度高、密度小、耐蚀性较强的优点,在电子产品、门窗、建筑、汽车、高铁、飞机上有广泛的应用。

铝和铝合金常用来制作耐蚀性较好的金属构件,例如汽车的轮毂、手机外壳等。

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铝及其合金在国民经济中的广泛应用,由作者提供

铝合金+水+催化剂真能制氢气?

首先,铝及其合金+水确实可以产生氢气,也是热力学自发的一种反应,但是该反应也会生成副产物(例如氢氧化铝)。

其次,由于铝合金表面易形成致密氧化膜,包括形成絮状氢氧化铝胶体,会阻碍反应的进一步进行。

显然,我们日常生活中看到铝和铝合金用品在接触水时都不会剧烈反应放出氢气。

但如果采用超细铝粉提高反应面积,或采用强酸强碱破坏氧化膜连续性、溶解氢氧化铝胶体,则能促进反应进一步进行,充分快速地释放氢气。

铝合金+水制氢气的能源消耗如何?

目前普遍采用从铝土矿分离出氧化铝,再通过电解产生金属铝的工艺路线,其中,电解制备金属铝这一步的电耗和成本都较高。

当前主流的霍尔-埃鲁尔法,每吨铝的电耗也超过13000度,折合计算为每制备1 kg铝需要13度电。

从仅考虑电解制备铝这一个环节来看,并不包括前期制备氧化铝,后期将铝制成铝合金以及铝合金块体制成超细铝粉的能耗。

在铝合金+水制取氢气的技术中,按照1 kg 铝理论上制取约1.0~1.2 标准立方(Nm3)氢气来换算,每制取1标准立方氢气,源头耗电超过10 kWh,这远高于当前电解水制氢的电耗(<5 kWh/Nm3氢气)。

此外,从化学能的角度讲,铝与水反应制取氢气时,也会有大量的热损失,所获得氢的化学值反而低于对应原料铝的化学能。

因此,无论是从当前工艺能耗还是从化学能本质的角度讲,铝合金+水制取氢气都是个亏本买卖,不划算的。

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利用铝合金+水制氢气的成本如何?

总体来看,全周期等效耗电量:铝制氢>电解水制氢>石化燃料制氢。说得通俗一点,就是铝制氢最不经济,电解水制氢稍微次之,石化燃料制氢最经济。

从成本的角度考虑,当前工业铝锭每吨的价格超过14000元,对应氢气的制备成本,仅铝块就高于12元/Nm3。

这不仅远高于当前石化裂解制氢成本,也高于电解制氢成本。

因此,从经济性角度考虑,这是不合算的。

利用铝合金+水制氢气有哪些优势?

当然也不是完全没有优点,从安全角度讲,由于氢气密度低,易爆炸,而目前在高压储氢、液态储氢或储氢合金技术等方面存在安全性或有效氢储量低的问题。

相比而言,采用固体的铝合金作为制氢原料之一进行存储,在燃料电池需要使用氢气的同时进行在线制氢是一种安全性相对更高的方法。

铝元素还应用在哪方面?

能量转化过程是伴随能量损耗的,相比铝制氢然后氢氧燃料电池发电的技术方案,直接铝氧(空气)电池技术理论上更有发展前景。

如图所示,铝氧(空气)电池采用铝负极和氧正极匹配,直接将铝和氧的化学能转化为电能。

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铝氧(空气)电池结构示意图,由作者提供

铝氧(空气)电池具备更高的电能输出能力,例如,铝氧(空气)电池单节放电电压为1.1~1.5 V,高于氢氧燃料单节电池电压(0.7~0.8 V)。

然而,目前铝氧(空气)电池还存在很多问题,如铝合金自腐蚀或钝化、电解液(质)不稳定、氢氧化铝回收利用率低等。

此外,如何降低氧化铝到铝单质电解能耗,对发展氢氧化铝-电解铝-铝氧电池的循环经济方面也起着至关重要的作用。

希望科研工作者早日研发出绿色、安全、高效的化学电源!

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