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铝也能做燃料电池?和氢比谁更厉害?

2020-10-20   点击量:24

铝燃料电池在前几年的发展较为迅速,已经应用于纯电动汽车供能等方面。


铝燃料电池


铝燃料电池,又称铝空气电池,是以铝摄取空气中的氧而氧化,与水化合转变为氢氧化铝的反应作为燃料电池电极反应,以电化学形式释放能量的供能电池。


电极反应:


负极:(Al):4Al-12e-=4Al3+


正极:(Pt或Fe等):3O2+6H2O+12e-=12OH-


总反应式:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3↓


铝燃料电池以铝为负极(阳极)、氧为正极(阴极),以氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。


早期铝燃料电池负极材料多用纯铝,但由于纯铝钝化效应强,极化严重,会造成负极极化增大、电位正移和电压滞后。因此现在的铝燃料电池多以铝合金作为负极。


铝燃料电池是一种发电设备,运行过程中(如下图所示)通过消耗铝合金阳极、电解质(液)水和空气中的氧对外输出电能,运行过程中有Al(OH)3产生,是一种很有商业价值的副产物。


铝燃料电池与锂或镍氢辅助电池混合模式示意图


其是在催化剂作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源,总反应是铝电解的逆过程。


铝燃料电池的发展史


世界上铝燃料电池的较大规模研发始于上世纪60年代的美国。上世纪70年代,他们集中于航海航标灯、矿井照灯等电源用电池的研究;


上世纪80年代,加拿大铝电源公司(AluminumPower)采用铝合金阳极和有效的空气(氧)电极制成的电池体系在便携式电源、备用电源推向市场,为铝燃料电池的商化应用作出了很大贡献;


2014年6月国外媒体报道了美国铝业公司与以色列菲涅金公司(Phinergy)联合研发的动力铝燃料装置在汽车上进行路况试跑,续航里程达1600km的世界纪录,在燃料电池发展史上具有里程碑意义,为动力铝燃料电池的发展作出了巨大贡献,使菲涅金公司成为世界铝燃料电池的领跑者。


这种铝燃料电池系统阳极由50块铝板组成,每块质量500g,总质量25kg,每一块铝板提供的电力可使电动汽车行驶32km。


2014年2月,美国铝业公司与菲涅金公司就铝燃料电池的进一步开发签订了合作协议,并于6月初在加拿大蒙特利尔一级方程式赛道上对铝燃料电池电动汽车进行了试驾。2017年,其实现了电动汽车专用铝燃料电池批量生产,并推向世界市场。


中国对铝燃料电池研发始于上世纪90年代,现已成为世界较大的铝燃料电池研发与生产国,但研发技术与美国、以色列相比,还有一些差距。


中国从事相关技术研究的单位主要有中国科学院过程工程研究所、大连物理化学研究所、船舶重工712所、北京大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学、北京有色金属研究总院、四川德阳东深新能源科技有限公司、台州非常新能源科技有限公司、云南冶金集团创新金属燃料电池股份有限公司等。


铝燃料电池在前几年的发展较为迅速,已经应用于纯电动汽车供能等方面。


铝燃料电池的特点


当前全世界动力电源研发单位与生产企业都把力量投放于燃料电池,而铝燃料电池作为其中一员,具有诸多优点:


1、能量密度高。铝燃料电池汽车百公里约消耗3kg铝、5L水与电解液,而一般乘用车的油耗约8L/100km;续航能力高于锂离子电池,铝燃料电池的实际比能量可达到350-500Wh/kg,是锂离子电池120-150Wh/kg的3倍;


2、铝的资源丰富,价格合理,铝燃料电池制造成本约为500元/kWh,是锂离子电池生产成本4000元/kWh的1/8;


3、铝的制取已经有成熟的工业基础。且在我国,制铝工业的产能已经过剩。


铝燃料电池运行放电时消耗的是铝和水为主,运行过程中需要定时补充水,运行周期完成后,需更换铝板或整体更换电池堆。


铝燃料电池运行期间主要副产物是氢氧化铝Al(OH)3,其可循环利用,加工成纳米级高纯Al2O3,作为工业用品。


虽然其具有诸多优点,但事实上还存在这些缺点:


1、比功率较低,充电和放电速度比较缓慢,电压滞后,自放电率较大;


2、电极反应易发生副反应产热,需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热,电池过热后易发生危险。受热后电极材料铝单质与金属氧化物作用会发生强放热,引起热爆炸,会造成严重后果;


3、反应产物氢氧化铝Al(OH)3以及金属铝本身不造成环境污染,且毒性低,但是铝离子Al3+具有生物富集性,进入人体后难以排出体外,最终会危害公共健康。铝中毒会表现出阿尔兹海默症(老年痴呆症)的症状。


与氢燃料电池的对比


目前,铝燃料电池和氢燃料电池都作为新能源技术中燃料电池技术的一份子,具有一些相同的优势和发展前景。


但实际上,铝燃料电池的开发热潮不及氢燃料电池,且应用案例相对稀缺,并没有得到锂电池一样的大规模应用,相关开发企业、研究院校也不及氢燃料电池领域。


其与氢燃料电池对比,发展受限的原因包括:


1、铝燃料电池与氢燃料电池同属电化学电池,但能量密度不及氢气。车载氢燃料电池系统的主要瓶颈在于储氢比率问题;


2、铝燃料的反应产物不能直接排出,需要回收,与氢燃料车可以直接无害排出相比会增加回收成本。产物Al(OH)3不是完全无害,会造成公共健康问题;


3、铝燃料电池系统和氢燃料电池系统同样具有危险性,铝氧化反应易发生非电极反应从而放热,会徒增热管理系统从而增加成本。过热的系统同样存在爆炸隐患;


4、铝燃料电池的技术同样尚未成熟,电解质(液)一般应用强碱性溶液KOH、NaOH等,除了添加电极燃料铝以外还需补充水,相较于燃油和氢气的直接燃料添加,增加了所需添加的物质,更为繁琐。


5、我国的铝土矿资源并不丰富,制铝与制氢同样需要巨大能耗,铝如果不能得到回收循环利用,则是巨大的能源浪费,与新能源发展理念不符。而事实上,我国的铝回收利用率很低。


铝的循环及能耗示意图


总而言之,铝燃料电池未获得重视、大面积推广,势必有其缘由。但铝燃料电池作为新能源技术、燃料电池技术发展的一个重要组成部分,值得予以关注。


我国的制铝工业已经存在产能过剩现象,如果能妥善发展这一新能源技术,则能更好的解决产能过剩问题,拉动相关产业链的发展,同时在新能源发展道路上迈出重要一步。


钜大特种电池工程研究院

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