本文專家:唐陽，北京化工大學(xué)電化學(xué)研究所副所長，副教授

近日，關(guān)于“水氫發(fā)動機在南陽下線”的消息引起社會的廣泛關(guān)注和質(zhì)疑。

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

據(jù)報道，青年汽車集團有限公司研發(fā)的“車載水解制氫”系統(tǒng)可“實時制取氫”，并且在南陽試制了“車載水解制氫”氫能源汽車。

相關(guān)項目負(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，氫氣通過氫電堆產(chǎn)生電，給電機供電，驅(qū)動車輛行駛。

圖片來源：新華網(wǎng)報道

關(guān)于此次事件我們暫且不過多評論，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)境中具有較強的耐蝕性，這是因為鋁及其合金表面易生成致密的氧化膜。

因為鋁的原子量較小，氧化價態(tài)高，能置換的氫氣量相對較多，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械強度高、密度小、耐蝕性較強的優(yōu)點，在電子產(chǎn)品、門窗、建筑、汽車、高鐵、飛機上有廣泛的應(yīng)用。

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

鋁及其合金在國民經(jīng)濟中的廣泛應(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，會阻礙反應(yīng)的進一步進行。

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

但如果采用超細(xì)鋁粉提高反應(yīng)面積，或采用強酸強堿破壞氧化膜連續(xù)性、溶解氫氧化鋁膠體，則能促進反應(yīng)進一步進行，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，再通過電解產(chǎn)生金屬鋁的工藝路線，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13000度，折合計算為每制備1 kg鋁需要13度電。

從僅考慮電解制備鋁這一個環(huán)節(jié)來看，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）氫氣來換算，每制取1標(biāo)準(zhǔn)立方氫氣，源頭耗電超過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，也會有大量的熱損失，所獲得氫的化學(xué)值反而低于對應(yīng)原料鋁的化學(xué)能。

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

利用鋁合金+水制氫氣的成本如何？

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

從成本的角度考慮，當(dāng)前工業(yè)鋁錠每噸的價格超過14000元，對應(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？

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

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

鋁元素還應(yīng)用在哪方面？

能量轉(zhuǎn)化過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，對發(fā)展氫氧化鋁-電解鋁-鋁氧電池的循環(huán)經(jīng)濟方面也起著至關(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！