车载水和铝金属反应制氢?别逗了

2019-05-25 23:44:19 vela 15

今天来聊一下水和铝金属反应制氢这个技术,特别是它在车载方面的应用。
水铝制氢这项技术最吸引人的地方是什么呢?加水就能产氢。即,先将铝置于一个容器中,望里面加水就能产氢,氢气去到燃料电池就可以发电。应用到产品的最终形态就是,加水就可以发电/启动车/船/飞机/潜艇/无人机/洗衣机/冰箱/电饭锅/烤箱/吃奥尔良鸡翅。这概念绝对能吓唬大部分不明真相的人,而且是个极好的宣发材料。
但是这个反应一点也不神秘。水铝制氢本质上就是一个置换反应,铝置换出水中的氢原子,变成氢气。其实除了铝,很多活泼金属,例如钠、镁、钾、钙,都可以。但他们要不就太活泼,反应放热太大,要不就是生成的金属氧化物难处理。总之就是,相对来说,铝的反应条件相对温和。而且铝的储量丰富,价钱相对较低,因此就一般都是采用铝来做置换。
那么这项技术又有什么技术难点呢?
铝很活泼
这意味着铝很容易被氧化,我估计一般人没几个见过纯铝,就算平常所说的铝合金,表面都是有一层致密的氧化铝保护膜的。水铝制氢要求的反应物是纯铝,而不是铝的氧化物。即使把纯铝在它在空气中氧化之前,放去和水反应,但纯铝还没完全反应时候,表面就已经被氧化,表面的氧化膜阻隔了水和里面纯铝的接触,反应无法继续进行。
唯有采用破除或者阻止氧化膜的生成,才可以让铝与水持续充分反应。
解决方法有几种:
1、水中加入碱,例如NaOH,利用OH-离子破坏表面氧化膜;
2、铝合金化,用其他金属作为壳包裹着铝,来防止铝和氧接触,在一定温度下加入水,这层金属保护壳受热会裂开,露出里面的铝,进而和水接触反应。
技术难点算是过去了,那么应用难点又在哪呢?
一、贵
1kg铝大约能置换出0.1kg氢气,那么大家都知道1kg铝的成本大约是15块,先不考虑做合金的情况,那就是说水铝制氢1kg的成本要150块。
150元/kg H2是什么水平呢?看下表:
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水铝制氢稳居成本最高第一位!可喜可贺,可喜可贺。
但这成本还是有希望降的。因为水铝反应后除了氢气,还有氧化铝。氧化铝这个东西呢是有经济价值的。但高经济价值的氧化铝对纯度和粒径的要求也很高。从水铝制氢副产物中提取出高品质的氧化铝,这项技术我暂时没看到有相关研究。然而这项技术的复杂程度正正是水铝制氢真实成本的关键点。这个关键点一天没有答案,水铝制氢一天都是制氢中的“奢侈品”。
二、热失控
水铝制氢是一个放热的反应,几克铝的量反应可以轻轻松松上几百摄氏度。高温带来的问题有很多。首要问题是反应温度太高,会将水气化,水蒸气与铝几乎不反应,导致整体反应接近处于停滞。然后很大部分的水蒸气会跟随氢气进入下一级应用。然而我们并不需要湿润的氢气。
当然,这个问题要解决则需要从反应器设计入手,或者从材料入手减缓反应速率。前者我不会,后者貌似没人研究,我就不啥bb了。
三、储氢密度低
理论上1kg 铝产0.11 kg氢气,然而这个还是理论上的,实际上还有产氢效率这个参数,一般在85%~95%,那么基本上就是1kg铝对应产出0.1kg氢气,换算一下就是生产1kg氢气需要10kg的铝。那么这又是一个怎样的水平呢?看下表:
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从上表可以看出,水铝制氢无论在体积和重量都不占优势。这就是我说的储氢密度低。
那么跟氢瓶比又如何呢?
然后我们来一起做应用题吧。
上上篇文章曾让大家留意一个图,就是下面那个:
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或者去他家官网看http://www.furuihp.com/Product/detil/id/11.html
取国内常用的爆款140L的跟大家算一下,具体参数如下:
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这个氢瓶外体积199dm3,就是199L,里面能存35Mpa的氢气140L,合计4kg氢气。那么这类氢气储存1kg氢气大约需要50L空间。这样一比,水铝制氢空间需求比氢瓶低多了,完全可以代替现在的氢瓶呀。
且慢!
不知道哪位领导人说过,要用发展的眼光看问题。虽然现在国内常用氢瓶的气压的35Mpa,但国外很多车辆都已经开始采用70Mpa。其实从富瑞特装的图也可以看到,国内氢瓶的制造商都有布局70Mpa的研发。如果采用70Mpa的氢瓶,容积不变,储氢量会直接加倍。就是说199L的氢瓶能储存8kg氢气,折合1kg氢气需要25L空间。这时水铝制氢“原料”和氢瓶的空间需要就差不多了。
这里之所以强调“原料”两个字是因为水铝制氢技术要完全等同于氢瓶则必须加上其他附件。氢瓶是一个能提供清洁且稳定的氢气的装置。从水铝制氢反应装置得到的氢气既不清洁,也不稳定,必须要配置相应的纯化装置和缓冲罐。也就是从功能上来说:
反应装置+纯化装置+缓冲罐=70Mpa氢瓶
反应装置的体积肯定是大于原料体积,那么一套水铝制氢系统的总体积必然远大于70Mpa氢瓶体积。
强调一下,对水铝制氢来说,这个空间需求是无法改变的,是它的固有属性,任凭技术怎么发展,这个23L的数字都不会改变。这代表了水铝制氢在体积上比不过氢瓶;由于必须带有其他附件,可靠性也比不过氢瓶。
总结
综上,我认为,水铝制氢这项技术不适合应用在燃料电池电动车辆上。就算水铝制氢能解决现有成本贵和热失控的问题,它也只能应用在其他领域。
题外话
1、这期的话题出现的原因有很多,导火索其实就大约1个月前,青年那辆水氢燃料电池车。
(新闻链接:http://money.163.com/17/0822/13/CSEQ4JO8002580SN.html)
很多人问我这个是不是利用水铝制氢技术。我只能答无可奉告。毕竟我真的不知道。因为水铝制氢不仅要加水,还要换铝。青年对外只说了利用一种特殊的催化剂能分解水,产生氢?不用加热,也不用电?催化剂还不消耗?那么水分子分解的能量从哪里来?我都感觉高中物理白学了。
因此,青年必定是故意隐藏了很多信息,混淆视听。
2、现在燃料电池相关产业都是一片热土,各种技术层出不穷,无论企业、资本,还是高校、政府,都想凑个热闹。但是某些技术专家心里明白,装着糊涂,拼命推广明知有重大缺陷的技术,甚至把国外已验证过不行的技术拿来国内再炒作一次,何必呢?本来这块蛋糕大家可以慢慢做,慢慢吃,现在却有人为一己私欲想方设法扔进两坨过期忌廉。
转自知乎大神!