鉅大LARGE | 點擊量：435次 | 2022年10月28日
"水氫發動機"背后秘密
近日，關于“水氫發動機在南陽下線”的消息引起社會的廣泛關注和質疑。
據報道，青年汽車集團有限公司研發的“車載水解制氫”系統可“實時制取氫”，并且在南陽試制了“車載水解制氫”氫能源汽車。
相關項目負責人介紹，技術的基本原理是“鋁合金粉末+催化劑+水”反應制氫。在催化劑作用下，‘制氫材料’與水反應產生氫氣，氫氣通過氫電堆產生電，給電機供電，驅動車輛行駛。
關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？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋁是地球中豐度最高的金屬元素，但是鋁金屬單質本身性質活潑，在自然界中普遍以化合物形式存在。
雖然鋁單質的化學性質較為活潑，但鋁及其合金在自然環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、耐蝕性較強的優點，在電子產品、門窗、建筑、汽車、高鐵、飛機上有廣泛的應用。
鋁和鋁合金常用來制作耐蝕性較好的金屬構件，例如汽車的輪轂、手機外殼等。
鋁合金+水+催化劑真能制氫氣？
首先，鋁及其合金+水確實可以產生氫氣，也是熱力學自發的一種反應。
但是該反應也會生成副產物(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，會阻礙反應的進一步進行。
顯然，我們日常生活中看到鋁和鋁合金用品在接觸水時都不會劇烈反應放出氫氣。
但如果采用超細鋁粉提高反應面積，或采用強酸強堿破壞氧化膜連續性、溶解氫氧化鋁膠體，則能促進反應進一步進行，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1kg鋁需要13度電。
在南陽洛特斯新能源汽車有限公司廠區展示的“水氫發動機車”（5月25日攝）。新華社記者李嘉南攝
從僅考慮電解制備鋁這一個環節來看，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鋁粉的能耗。
在鋁合金+水制取氫氣的技術中，按照1kg鋁理論上制取約1.0~1.2標準立方（Nm3）氫氣來換算，每制取1標準立方氫氣，源頭耗電超過10kWh，這遠高于當前電解水制氫的電耗（＜5kWh/Nm3氫氣）。
此外，從化學能的角度講，鋁與水反應制取氫氣時，也會有大量的熱損失，所獲得氫的化學值反而低于對應原料鋁的化學能。
因此，無論是從當前工藝能耗還是從化學能本質的角度講，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，就是鋁制氫最不經濟，電解水制氫稍微次之，石化燃料制氫最經濟。
從成本的角度考慮，當前工業鋁錠每噸的價格超過14000元，對應氫氣的制備成本，僅鋁塊就高于12元/Nm3。
這不僅遠高于當前石化裂解制氫成本，也高于電解制氫成本。
因此，從經濟性角度考慮，這是不合算的。
利用鋁合金+水制氫氣有哪些優勢？
當然也不是完全沒有優點，從安全角度講，由于氫氣密度低，易爆炸，而目前在高壓儲氫、液態儲氫或儲氫合金技術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。
鋁元素還應用在哪方面？
能量轉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電的技術方案，直接鋁氧（空氣）電池技術理論上更有發展前景。
鋁氧（空氣）電池采用鋁負極和氧正極匹配，直接將鋁和氧的化學能轉化為電能。
鋁氧（空氣）電池具備更高的電能輸出能力，例如，鋁氧（空氣）電池單節放電電壓為1.1~1.5V，高于氫氧燃料單節電池電壓（0.7~0.8V）。
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）不穩定、氫氧化鋁回收利用率低等。
此外，如何降低氧化鋁到鋁單質電解能耗，對發展氫氧化鋁-電解鋁-鋁氧電池的循環經濟方面也起著至關重要的作用。
希望科研工作者早日研發出綠色、安全、高效的化學電源！
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