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)。

 早期鋁燃料電池負極材料多用純鋁，但由于純鋁鈍化效應(yīng)強，極化嚴重，會造成負極極化增大、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極。

 鋁燃料電池是一種發(fā)電設(shè)備，運行過程中（如下圖所示）通過消耗鋁合金陽極、電解質(zhì)（液）水和空氣中的氧對外輸出電能，運行過程中有Al(OH)3產(chǎn)生，是一種很有商業(yè)價值的副產(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60年代的美國。上世紀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，為鋁燃料電池的商化應(yīng)用作出了很大貢獻；

• 2014年6月國外媒體報道了美國鋁業(yè)公司與以色列菲涅金公司（Phinergy）聯(lián)合研發(fā)的動力鋁燃料裝置在汽車上進行路況試跑，續(xù)航里程達1600km的世界紀錄，在燃料電池發(fā)展*具有里程碑意義，為動力鋁燃料電池的發(fā)展作出了巨大貢獻，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方程式賽道上對鋁燃料電池電動汽車進行了試駕。2017年，其實現(xiàn)了電動汽車鋁燃料電池批量生產(chǎn)，并推向世界市場。

 中國對鋁燃料電池研發(fā)始于上世紀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、臺州非常新能源科技有限公司、云南冶金集團創(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)用于純電動汽車供能等方面。

鋁燃料電池的特點

 當(dāng)前*動力電源研發(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：

• 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，鋁燃料電池的實際比能量可達到350-500Wh/kg，是鋰離子電池120-150Wh/kg的3倍；

• 2、鋁的資源豐富，價格合理，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。

 鋁燃料電池運行放電時消耗的是鋁和水為主，運行過程中需要定時補充水，運行周期完成后，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，加工成納米級高純Al2O3，作為工業(yè)用品。

 雖然其具有諸多優(yōu)點，但事實上還存在這些缺點：

• 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的過熱，電池過熱后易發(fā)生危險。受熱后電極材料鋁單質(zhì)與金屬氧化物作用會發(fā)生強放熱，引起熱爆炸，會造成嚴重后果；

• 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，進入人體后難以排出體外，終會危害公共健康。鋁中毒會表現(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)勢和發(fā)展前景。

但實際上，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增加回收成本。產(chǎn)物Al(OH)3不是*無害，會造成公共健康問題；

• 3、鋁燃料電池系統(tǒng)和氫燃料電池系統(tǒng)同樣具有危險性，鋁氧化反應(yīng)易發(fā)生非電極反應(yīng)從而放熱，會徒增熱管理系統(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)用強堿性溶液KOH、NaOH等，除了添加電極燃料鋁以外還需補充水，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，與新能源發(fā)展理念不符。而事實上，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)能過剩現(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，拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，同時在新能源發(fā)展道路上邁出重要一步。