刷爆網(wǎng)絡(luò)的"水氫發(fā)動(dòng)機(jī)"：隱藏著很多秘密

本文專(zhuān)家:唐陽(yáng)，北京化工大學(xué)電化學(xué)研究所副所長(zhǎng)，副教授

近日，關(guān)于“水氫發(fā)動(dòng)機(jī)在南陽(yáng)下線(xiàn)”的消息引起社會(huì)的廣泛關(guān)注和質(zhì)疑。

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據(jù)報(bào)道，青年汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)的“車(chē)載水解制氫”系統(tǒng)可“實(shí)時(shí)制取氫”，并且在南陽(yáng)試制了“車(chē)載水解制氫”氫能源汽車(chē)。

相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人介紹，技術(shù)的基本原理是“鋁合金粉末+催化劑+水”反應(yīng)制氫。在催化劑作用下，‘制氫材料’與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣通過(guò)氫電堆產(chǎn)生電，給電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。

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關(guān)于此次事件我們暫且不過(guò)多評(píng)論，那么，鋁合金+水+催化劑真的能制取氫氣嗎？而又為什么采用鋁合金粉末為主要元素呢？我們一起來(lái)看！

為什么采用鋁元素？

鋁是地球中豐度最高的金屬元素，但是鋁金屬單質(zhì)本身性質(zhì)活潑，在自然界中普遍以化合物形式存在。

雖然鋁單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，但鋁及其合金在自然環(huán)境中具有較強(qiáng)的耐蝕性，這是因?yàn)殇X及其合金表面易生成致密的氧化膜。

因?yàn)殇X的原子量較小，氧化價(jià)態(tài)高，能置換的氫氣量相對(duì)較多，所以采用了鋁元素為主要元素之一。

除此之外，鋁尤其鋁合金具有機(jī)械強(qiáng)度高、密度小、耐蝕性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品、門(mén)窗、建筑、汽車(chē)、高鐵、飛機(jī)上有廣泛的應(yīng)用。

鋁和鋁合金常用來(lái)制作耐蝕性較好的金屬構(gòu)件，例如汽車(chē)的輪轂、手機(jī)外殼等。

鋁及其合金在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的廣泛應(yīng)用，由作者提供

鋁合金+水+催化劑真能制氫氣？

首先，鋁及其合金+水確實(shí)可以產(chǎn)生氫氣，也是熱力學(xué)自發(fā)的一種反應(yīng),但是該反應(yīng)也會(huì)生成副產(chǎn)物(例如氫氧化鋁)。

其次，由于鋁合金表面易形成致密氧化膜，包括形成絮狀氫氧化鋁膠體，會(huì)阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。

顯然，我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹戒X和鋁合金用品在接觸水時(shí)都不會(huì)劇烈反應(yīng)放出氫氣。

但如果采用超細(xì)鋁粉提高反應(yīng)面積，或采用強(qiáng)酸強(qiáng)堿破壞氧化膜連續(xù)性、溶解氫氧化鋁膠體，則能促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，充分快速地釋放氫氣。

鋁合金+水制氫氣的能源消耗如何？

目前普遍采用從鋁土礦分離出氧化鋁，再通過(guò)電解產(chǎn)生金屬鋁的工藝路線(xiàn)，其中，電解制備金屬鋁這一步的電耗和成本都較高。

當(dāng)前主流的霍爾-埃魯爾法，每噸鋁的電耗也超過(guò)13000度，折合計(jì)算為每制備1 kg鋁需要13度電。

從僅考慮電解制備鋁這一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，并不包括前期制備氧化鋁，后期將鋁制成鋁合金以及鋁合金塊體制成超細(xì)鋁粉的能耗。

在鋁合金+水制取氫氣的技術(shù)中，按照1 kg 鋁理論上制取約1.0~1.2 標(biāo)準(zhǔn)立方（Nm3）氫氣來(lái)?yè)Q算，每制取1標(biāo)準(zhǔn)立方氫氣，源頭耗電超過(guò)10 kWh，這遠(yuǎn)高于當(dāng)前電解水制氫的電耗（＜5 kWh/Nm3氫氣）。

此外，從化學(xué)能的角度講，鋁與水反應(yīng)制取氫氣時(shí)，也會(huì)有大量的熱損失，所獲得氫的化學(xué)值反而低于對(duì)應(yīng)原料鋁的化學(xué)能。

因此，無(wú)論是從當(dāng)前工藝能耗還是從化學(xué)能本質(zhì)的角度講，鋁合金+水制取氫氣都是個(gè)虧本買(mǎi)賣(mài)，不劃算的。

利用鋁合金+水制氫氣的成本如何？

總體來(lái)看，全周期等效耗電量：鋁制氫＞電解水制氫＞石化燃料制氫。說(shuō)得通俗一點(diǎn)，就是鋁制氫最不經(jīng)濟(jì)，電解水制氫稍微次之，石化燃料制氫最經(jīng)濟(jì)。

從成本的角度考慮，當(dāng)前工業(yè)鋁錠每噸的價(jià)格超過(guò)14000元，對(duì)應(yīng)氫氣的制備成本，僅鋁塊就高于12元/Nm3。

這不僅遠(yuǎn)高于當(dāng)前石化裂解制氫成本，也高于電解制氫成本。

因此，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，這是不合算的。

利用鋁合金+水制氫氣有哪些優(yōu)勢(shì)？

當(dāng)然也不是完全沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)，從安全角度講，由于氫氣密度低，易爆炸，而目前在高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫或儲(chǔ)氫合金技術(shù)等方面存在安全性或有效氫儲(chǔ)量低的問(wèn)題。

相比而言，采用固體的鋁合金作為制氫原料之一進(jìn)行存儲(chǔ)，在燃料電池需要使用氫氣的同時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)制氫是一種安全性相對(duì)更高的方法。

鋁元素還應(yīng)用在哪方面？

能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是伴隨能量損耗的，相比鋁制氫然后氫氧燃料電池發(fā)電的技術(shù)方案，直接鋁氧（空氣）電池技術(shù)理論上更有發(fā)展前景。

如圖所示，鋁氧（空氣）電池采用鋁負(fù)極和氧正極匹配，直接將鋁和氧的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

鋁氧（空氣）電池結(jié)構(gòu)示意圖，由作者提供

鋁氧（空氣）電池具備更高的電能輸出能力，例如，鋁氧（空氣）電池單節(jié)放電電壓為1.1~1.5 V，高于氫氧燃料單節(jié)電池電壓（0.7~0.8 V）。

然而，目前鋁氧（空氣）電池還存在很多問(wèn)題，如鋁合金自腐蝕或鈍化、電解液（質(zhì)）不穩(wěn)定、氫氧化鋁回收利用率低等。

此外，如何降低氧化鋁到鋁單質(zhì)電解能耗，對(duì)發(fā)展氫氧化鋁-電解鋁-鋁氧電池的循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面也起著至關(guān)重要的作用。

希望科研工作者早日研發(fā)出綠色、安全、高效的化學(xué)電源！