鋁燃料電池

 鋁燃料電池，又稱鋁空氣電池，是以鋁攝取空氣中的氧而氧化，與水化合轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸X的反應(yīng)作為燃料電池電極反應(yīng)，以電化學(xué)形式釋放能量的供能電池。

電極反應(yīng)：

負(fù)極：（Al）：4Al - 12e- = 4Al3+

正極：（Pt或Fe等）：3O2 + 6H2O + 12e- = 12OH-

總反應(yīng)式：4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3↓

 鋁燃料電池以鋁為負(fù)極（陽極）、氧為正極（陰極），以氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質(zhì)。

 早期鋁燃料電池負(fù)極材料多用純鋁，但由于純鋁鈍化效應(yīng)強(qiáng)，極化嚴(yán)重，會(huì)造成負(fù)極極化增大、電位正移和電壓滯后。因此現(xiàn)在的鋁燃料電池多以鋁合金作為負(fù)極。

 鋁燃料電池是一種發(fā)電設(shè)備，運(yùn)行過程中（如下圖所示）通過消耗鋁合金陽極、電解質(zhì)（液）水和空氣中的氧對(duì)外輸出電能，運(yùn)行過程中有Al(OH)3產(chǎn)生，是一種很有商業(yè)價(jià)值的副產(chǎn)物。

                                   鋁燃料電池與鋰或鎳氫輔助電池混合模式示意圖

 其是在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的一種化學(xué)電源，總反應(yīng)是鋁電解的逆過程。

 鋁燃料電池的發(fā)展史

• 世界上鋁燃料電池的較大規(guī)模研發(fā)始于上世紀(jì)60年代的美國。上世紀(jì)70年代，他們集中于航海航標(biāo)燈、礦井照燈等電源用電池的研究；

• 上世紀(jì)80年代，加拿大鋁電源公司（Aluminum Power）采用鋁合金陽極和有效的空氣（氧）電極制成的電池體系在便攜式電源、備用電源推向市場(chǎng)，為鋁燃料電池的商化應(yīng)用作出了很大貢獻(xiàn)；

• 2014年6月國外媒體報(bào)道了美國鋁業(yè)公司與以色列菲涅金公司（Phinergy）聯(lián)合研發(fā)的動(dòng)力鋁燃料裝置在汽車上進(jìn)行路況試跑，續(xù)航里程達(dá)1600km的世界紀(jì)錄，在燃料電池發(fā)展*具有里程碑意義，為動(dòng)力鋁燃料電池的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，使菲涅金公司成為世界鋁燃料電池的。

 這種鋁燃料電池系統(tǒng)陽極由50塊鋁板組成，每塊質(zhì)量500g，總質(zhì)量25kg，每一塊鋁板提供的電力可使電動(dòng)汽車行駛32km。

 2014年2月，美國鋁業(yè)公司與菲涅金公司就鋁燃料電池的進(jìn)一步開發(fā)簽訂了合作協(xié)議，并于6月初在加拿大蒙特利爾一級(jí)方程式賽道上對(duì)鋁燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)行了試駕。2017年，其實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車鋁燃料電池批量生產(chǎn)，并推向世界市場(chǎng)。

 中國對(duì)鋁燃料電池研發(fā)始于上世紀(jì)90年代，現(xiàn)已成為世界較大的鋁燃料電池研發(fā)與生產(chǎn)國，但研發(fā)技術(shù)與美國、以色列相比，還有一些差距。

 中國從事相關(guān)技術(shù)研究的單位主要有中國科學(xué)院過程工程研究所、大連物理化學(xué)研究所、船舶重工712所、北京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、天津大學(xué)、北京有色金屬研究總院、四川德陽東深新能源科技有限公司、臺(tái)州非常新能源科技有限公司、云南冶金集團(tuán)創(chuàng)新金屬燃料電池股份有限公司等。

 鋁燃料電池在前幾年的發(fā)展較為迅速，已經(jīng)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車供能等方面。

鋁燃料電池的特點(diǎn)

 當(dāng)前*動(dòng)力電源研發(fā)單位與生產(chǎn)企業(yè)都把力量投放于燃料電池，而鋁燃料電池作為其中一員，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

• 1、能量密度高。鋁燃料電池汽車百公里約消耗3kg鋁、5L水與電解液，而一般乘用車的油耗約8L/100km；續(xù)航能力高于鋰離子電池，鋁燃料電池的實(shí)際比能量可達(dá)到350-500Wh/kg，是鋰離子電池120-150Wh/kg的3倍；

• 2、鋁的資源豐富，價(jià)格合理，鋁燃料電池制造成本約為500元/kWh，是鋰離子電池生產(chǎn)成本4000元/kWh的1/8 ；

• 3、鋁的制取已經(jīng)有成熟的工業(yè)基礎(chǔ)。且在我國，制鋁工業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)過剩。

 鋁燃料電池運(yùn)行放電時(shí)消耗的是鋁和水為主，運(yùn)行過程中需要定時(shí)補(bǔ)充水，運(yùn)行周期完成后，需更換鋁板或整體更換電池堆。

 鋁燃料電池運(yùn)行期間主要副產(chǎn)物是氫氧化鋁Al(OH)3，其可循環(huán)利用，加工成納米級(jí)高純Al2O3，作為工業(yè)用品。

 雖然其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但事實(shí)上還存在這些缺點(diǎn)：

• 1、比功率較低，充電和放電速度比較緩慢，電壓滯后，自放電率較大；

• 2、電極反應(yīng)易發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)熱，需要采用熱管理系統(tǒng)來防止鋁空氣電池工作時(shí)的過熱，電池過熱后易發(fā)生危險(xiǎn)。受熱后電極材料鋁單質(zhì)與金屬氧化物作用會(huì)發(fā)生強(qiáng)放熱，引起熱爆炸，會(huì)造成嚴(yán)重后果；

• 3、反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鋁Al(OH)3以及金屬鋁本身不造成環(huán)境污染，且毒性低，但是鋁離子Al3+具有生物富集性，進(jìn)入人體后難以排出體外，終會(huì)危害公共健康。鋁中毒會(huì)表現(xiàn)出阿爾茲海默癥（老年癡呆癥）的癥狀。

與氫燃料電池的對(duì)比

目前，鋁燃料電池和氫燃料電池都作為新能源技術(shù)中燃料電池技術(shù)的一份子，具有一些相同的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

但實(shí)際上，鋁燃料電池的開發(fā)熱潮不及氫燃料電池，且應(yīng)用案例相對(duì)稀缺，并沒有得到鋰電池一樣的大規(guī)模應(yīng)用，相關(guān)開發(fā)企業(yè)、研究院校也不及氫燃料電池領(lǐng)域。

其與氫燃料電池對(duì)比，發(fā)展受限的原因包括：

• 1、鋁燃料電池與氫燃料電池同屬電化學(xué)電池，但能量密度不及氫氣。車載氫燃料電池系統(tǒng)的主要瓶頸在于儲(chǔ)氫比率問題；

• 2、鋁燃料的反應(yīng)產(chǎn)物不能直接排出，需要回收，與氫燃料車可以直接無害排出相比會(huì)增加回收成本。產(chǎn)物Al(OH)3不是*無害，會(huì)造成公共健康問題；

• 3、鋁燃料電池系統(tǒng)和氫燃料電池系統(tǒng)同樣具有危險(xiǎn)性，鋁氧化反應(yīng)易發(fā)生非電極反應(yīng)從而放熱，會(huì)徒增熱管理系統(tǒng)從而增加成本。過熱的系統(tǒng)同樣存在爆炸隱患；

• 4、鋁燃料電池的技術(shù)同樣尚未成熟，電解質(zhì)（液）一般應(yīng)用強(qiáng)堿性溶液KOH、NaOH等，除了添加電極燃料鋁以外還需補(bǔ)充水，相較于燃油和氫氣的直接燃料添加，增加了所需添加的物質(zhì)，更為繁瑣。

• 5、我國的鋁土礦資源并不豐富，制鋁與制氫同樣需要巨大能耗，鋁如果不能得到回收循環(huán)利用，則是巨大的能源浪費(fèi)，與新能源發(fā)展理念不符。而事實(shí)上，我國的鋁回收利用率很低。

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鋁的循環(huán)及能耗示意圖

 總而言之，鋁燃料電池未獲得重視、大面積推廣，勢(shì)必有其緣由。但鋁燃料電池作為新能源技術(shù)、燃料電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，值得予以關(guān)注。

 我國的制鋁工業(yè)已經(jīng)存在產(chǎn)能過?，F(xiàn)象，如果能妥善發(fā)展這一新能源技術(shù)，則能更好的解決產(chǎn)能過剩問題，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，同時(shí)在新能源發(fā)展道路上邁出重要一步。