黄华江分享 http://blog.sciencenet.cn/u/huanghj 美国明尼苏达大学Research Associate

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“水氢发动机”的技术经济不可行-----看美国能源部研究即一目了然 精选

已有 6791 次阅读 2019-5-27 11:47 |系统分类:海外观察

最近有关“水氢发动机”的报道不少,我昨天刚看到“水氢发动机”这个术语,和很多人一样,立即联想到多年以前的“水变油”事件。不过,看完一些报道后,才知此“水氢发动机”之端倪。南阳“水氢发动机”实际上是基于铝-水反应制氢的燃料电池驱动发动机,主要由车载铝-水反应制氢和氢燃料电池两个子系统组成。其中,氢燃料电池子系统相对比较成熟,铝-水反应制氢是其正在研发的关键技术。取名“水氢发动机”有点故弄玄虚之虞,它实际上用铝粉为主要原料,通过与水发生反应产生氢气,产生的氢气进入燃料电池子系统制备电能来驱动发动机。与“水变油”不同,这种铝基燃料电池发动机是可以实现的,反应基本原理如下。

在接近室温下,金属铝与水反应生成氢氧化铝和氢气:

2Al  +  6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 (室温至280°C为主反应)

以此作简单计算,每9公斤铝可生成1公斤左右的氢气(按100%转化计)。这些连中学生都能够理解。但是,还有各种复杂的工程问题需要加以考虑(比如反应快慢和生产成本等等)。

那么,从技术经济分析看,此技术路线是否可行?

实际上,除了上面的主要反应以外,还有别的反应,如2Al + 3H2O = Al2O3 三氧化二铝+ 3H22Al + 4H2O = 2AlO(OH) (偏铝+ 3H2。以上均为强放热反应,其中在室温至280°C范围,氢氧化铝最稳定;280-480°C范围,偏铝最稳定;480°C以上三氧化二铝最稳定。虽然在接近室温下生成氧化铝的反应占比很小,但是在铝颗粒表面形成氧化铝层,这氧化铝层(铝表面钝化)阻隔了金属铝颗粒与水的进一步接触从而阻止铝-水反应的持续发生。因此,简单地把铝粉和水混合在一起并不能保证持续地反应、持续地产生氢气。简言之,由于金属铝的表面钝化容易发生,铝在水中的活性非常低,需要持续不断地消除表面钝化的氧化铝层,这是铝-水反应制氢的最大难题。因此,破坏氧化铝层是解决这一难题的关键。

破坏氧化铝层的常见方法有:1)化学活化方法,即添加用于破坏氧化铝层的无机盐或氢氧化物(反应助剂),如氢氧化钠NaOH),三氧化二铝(Al2O3)和氯化钠2)通过添加少量的镓(Ga)和Sn(锡)等金属把金属铝制成铝合金,使之能够有效地避免氧化铝层的形成。但是,方法1若用氢氧化钠,会存在腐蚀问题,此外,它需要回收重复使用;方法2使用的镓等添加剂相对比较贵,镓的回收也是个问题。

此外,基于铝-水反应制氢的燃料电池动力汽车的技术路线还存在如下许多难点:

1. 这种制氢方法不能满足2015美国能源部制定的目标:重量氢容量5.5%(wt)和体积氢容量40公斤/立方米。重量氢容量(或氢重量密度)是指所产氢气的重量占反应物(铝、水、反应助剂或者制备合金所添加的镓等)总重量的百分比。若重量氢容量太小,则表明所需反应物自身重量太大,影响车的实际运载重量。这样,即使空载开车时也会消耗部分能源于反应物自重的运输。

体积氢容量(或氢体积密度)是单位反应物(铝、水、反应助剂或者制备合金所添加的镓等)体积(立方米)所能产生的氢气重量(公斤)。若体积氢容量太小,则车容纳反应物本身所需的空间太大,剩余的实际可用空间就太小。简言之,重量氢容量5.5%(wt)和体积氢容量40公斤/立方米这两个目标必须同时满足。否则,要拥有与普通汽车相同的运输能力,基于铝-水反应制氢的燃料电池电动汽车会比较笨重和/或体积庞大。

2.      -氢反应动力学慢(根据文献),难以满足美国能源部燃料电池电动汽车所需的最低氢流量目标。用通俗的话说,制氢太慢,来不及提供足够的氢气,这样的车只能开开停停。当然,合适的催化剂可以加快反应速度。从报道看,南阳用的是添加5~10%金属添加剂(镓和锡等)的铝合金方法,并添加了催化剂。据媒体称其制氢速度快,但是否能够满足美国能源部燃料电池电动汽车所需的最低氢流量目标,不得而知镓和锡相对比较昂贵(一公斤250到$350美元不等),须加以回收。目前回收成本未知。

3.     制氢成本高,无法满足美国能源部的每公斤氢气2-3美元的制氢成本目标。通过这种方法生产氢气的成本主要取决于铝金属的成本,以2010$2.2/公斤铝推算,制氢成本大致是每公斤氢气$20。即使高产量,美国能源部的每公斤2-3美元的制氢成本目标仍无法实现。 

4.要使基于铝-水反应制氢的燃料电池氢能源汽车大规模商业化,铝原料的供应可能也是个问题。此外,在铝需要增长的情况下,铝的价格将会上升,这可能加大制氢成本。

结论:要使基于铝-水反应制氢的燃料电池动力汽车商业化,从技术经济分析看,是完全不可行的。

补充:文章“湖工大发布水解制氢反应式,称车载项目曾获973计划支持”提到,“此次关键制氢技术的创新点在于研发了一种高效低成本的铝合金水解制氢材料,该材料在自主研发的制氢装置里和水发生化学反应后产生氢气,可实现低成本即时制氢”,……由于制氢后的水解产物偏铝酸可以直接作为阻燃材料使用,高品质的偏铝酸也可以用于电池隔膜产业,偏铝酸还可以进一步加工成微纳米级氧化铝,因此成本可大大降低 ……

从这些描述看,“高效低成本”好像只是假设而已,并非是估算的结果。现在让我们假设这种基于铝-水反应制氢的燃料电池动力汽车大规模市场化,在这种情况下将不断地产生大量的偏铝酸、氧化铝等,阻燃材料、电池隔膜产业能消化那么多这些付产物吗?加工成的微纳米级氧化铝,市场能否完全消化那么多,这些都是疑问。另外,这些产品市场过剩后将大大贬值。若回收再生氧化铝,即把氧化铝回收返回到铝厂作为原料以电解制铝,则运输成本不得不考虑在内。高效成本低”,但到底低到什么程度,每公斤氢的成本多少元,尚不得而知。成本估算,假如估算不全(比如忽略了几项),或者假设的前提条件偏离实际太多,将得出离谱的成本价,没有看到具体的估算方法和条目,还很难令人置信。研发者声称“我们的技术成本比市场上包括美国等国家都要低,具体多少我不好透露,只能说能降低至少一半以上”(https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_3537773),这个描述缺乏数据很难判断经济上是否可行。不过按前面叙述,美国能源部2010年估算制氢成本大致是每公斤氢气$20,即时减半,仍高达$10一公斤氢气。青年汽车的一位工程师在一个视频里曾说,其目前成本价是汽油的3-5倍。所以,仅就最近的报导也可以推测,目前该项目经济上完全不可行。


几点个人看法

1)铝-水反应制氢技术能量效率不高,反应过程为强放热,大量的热未能回收利用,整个系统的能量利用率不高;

2)若副产物偏铝酸作为阻燃材料、氧化铝进一步加工成微纳米级氧化铝(亦有加工费)后出售,可回收部分生产成本,但由于铝的成本相对太贵,估计即使把产卖出去也很难使总的成本降低到经济可行的地步。考虑副产物回收的话,副产品的分离提纯过程是个问题:车快耗尽能量(但还没完全耗尽)时,须停下来,把所有液固混合物排空收集,再放入新鲜铝粉原料+催化剂,然后加水继续运行。液固混合物将会被集中到一个再生厂回收处理。但是,这个再生厂将面临棘手的产品分离问题。这些液固混合物包含氢氧化铝、偏铝酸、三氧化二铝、水、镓、锡、未反应的铝(车不可能等铝刚好完全耗尽才停下来,故肯定有未反应的铝存在),要把它们一一分离出来并提纯,特别是不溶于水的三氧化二铝、镓、锡、铝要从氢氧化铝沉淀物或溶胶中分离出来并提纯,是很困难的,回收成本不会低。虽然得到的副产物偏铝酸作为阻燃材料、氧化铝可进一步加工成微纳米级氧化铝(亦有加工费)后出售,但是副产物的价值能否抵消分离提纯的成本都是个疑问,更不用说能否抵消部分铝原料成本了。

3)剩余液固混合物的收集、分散储存及运输(到再生厂)费用,会增加总的生产成本。至少在全国范围内(假若不出口这类汽车),必须像加油站那样建立一个完善的庞大的铝原料销售供应与废料回收储存网点,这表明上简单,实际上是很烧钱的。

4)每次需要排空反应器,然后加料,特别是固体铝粉的加料不方便,增加固体自动化加料系统则会增加设备成本。


备注1:虽然铝-水反应制氢的燃料电池动力,很难用在商用汽车上,但有可能在便携式应用方面发挥作用,如应急发电机、笔记本电脑等,或者在军用领域有其用处。虽然在常规电车运用上不可行,但有关铝-水反应制氢供燃料电池发电的研究仍有重要意义,我们不能片面地否定。

备注2:此领域并非是本人的研究方向,未看过有关专利,文章主要摘自美国能源部项目的一份研究报告(参考见后)。 此报告中的成本估算,是基于2010年的,地点也不同,成本价只供参考。


【参考】U.S. Department of Energy, Reaction of Aluminum with Water to Produce Hydrogen. A Study of Issues Related to the Use of Aluminum for On-Board Vehicular Hydrogen Storage. Version 2, 2010.

 aluminum_water_hydrogen.pdf




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