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“加水就能跑1000公里的车”到底是黑科技还是骗局呢?

芯智讯 2019-08-08 15:33 次阅读

近日,南阳市和青年汽车所谓“加水就能跑1000公里的车”究竟是否存在,这里面到底是黑科技还是纯粹的骗局呢?

根据网上消息,目前基本可以判断,不是假的,只是表述的概念不是很准确,所谓水氢发动机,应该是金属(铝)—水反应制备出氢气,然后再用氢氧燃料电池发电,通过锂电池储能和缓冲,驱动电机的氢能源汽车。

这种应用组合,并不新鲜,东莞北航研究院新能源客车,已经实现;上海交通大学的镁水反应制氢的小型燃料电池,也早已应用在小型无人机上;中科院大连化物所等单位,也有很多氢能源电池;部分民营企业,也有铝空气电池等金属电池产品,用在野营科考等领域。

燃料电池汽车

当前国内的所谓新能源汽车,准确来讲应该是储能电池汽车,或者是电驱动汽车,只是装小电池的玩具汽车的放大版和商用版,这个储能电池的作用与汽车电瓶的功能类似。

而燃料电池汽车,是新能源汽车的主流发展方向之一,它的组成更为复杂,多了一套氢氧燃料电池系统,可以给汽车电池(可以理解为电瓶)直接充电,而不是依赖充电桩。

准确的说,燃料电池是可以发电的,只是用氢气发电,是水电解成氢气和氧气的逆反应。我们的汽柴油车,也可以发出电来,是汽油机带动发电机转,机械能转换成电能,因此震动噪声特别大,但氢燃料电池工作起来确是静悄悄的,基本没有噪音。

虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样,同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧,但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量,而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的,这一过程最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分,整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗,但是更小的灰尘却可以,电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。

很明显,氢燃料电池汽车系统更为复杂。同时,它需要氢气。日本和德国,都是高压气瓶储气态氢气,一般是20兆帕到40兆帕的压力,所以很多人认为很危险,而且加注氢气的过程也要有很高的安全性标准。但只要加足了氢气,就像汽车加满了油,可以让汽车跑很远很远,1000公里只是个设计指标,容易实现。

因为氢分子体积小,可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在穿越孔洞的过程中,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过,氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、将氧气拆分成氧离子(负电)和电子,电子在电极板之间形成电流,两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水,是反应的废物。所以本质来讲,整个运行过程就是发电过程。因此燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。

为了容纳更多的氢气,液体氢气也大量应用,比如火箭发射,国外也有用液氢的飞机,宝马、奔驰也都试验过直接燃烧液氢的发动机,与现有的汽柴油机差别不大,就像家里用的液化天然气。所以说到这里,看到很多车是烧气的,已经用了好多年,所以氢气使用也不用过多担心。比如气瓶,国内外的高压气瓶技术已经很成熟,70兆帕的都很常见,很多领域都有应用。但由于处于对氢气爆炸的恐惧,大家还都在探索其他的储存方式。

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问题1:到底有没有所谓的水制氢技术?

答:电解水制氢能耗较大,在无外界能量输入的车上实现实时制氢更加不可能。但是呢,金属可以通过还原反应分解水制氢。中学化学里面学过,碱金属和水反应可以快速生成氢气,但是碱金属价格昂贵,用来制取能源开车实在是得不偿失。不过,除了碱金属之外,还有一些金属同样能够在不加入酸、碱的条件下分解水产生氢气,例如锌、铝甚至铁、钴、镍。当然,这需要一些特殊的条件,包括催化剂和温度、压力的控制等等。最常见的,还是活泼金属镁和铝,相对可控。

Mg+2H2O=MgO+2H2

2Al+3H2O=Al2O3+3H2

镁和铝的分子量分别是24和27,同等重量条件下,镁制氢能力更强。可是,镁还是比较贵。但铝很常见。

主流的,就是水电解制氢和金属制氢。都可以称之为水制氢技术。

问题2:铝怎么能与水反应?

家里用的铝锅,如果遇到水就反应,锅很快就会漏了。实际上,锅的内外面被致密的三氧化二铝或者氧化铝包围着,铝在里面,根本接触不到水。如果让反应可以持续,破坏掉氧化铝就可以了。

可是这怎么办?什么是三氧化二铝?名贵的蓝宝石和红宝石,主要成分都是三氧化二铝。我国山东、河南一带,做人工红蓝宝石的小作坊,早都攻克了这个小问题,只不过氢气直接就处理了,大多数只留下高纯度的三氧化二铝,铝和宝石怎么能一个价值呢,浪费点氢气,这又算的了什么?

下图是氧化铝粉末

然而,有识之士发现,这是制氢的好办法。实际上途径比较简单,在高温液态,改变铝的成型结构,或者添加点与水可以反映的其他组分。常温下不反应,在遇水和一定条件下,就可以持续反应了。

问题3:南阳的所谓“水氢发动机”使用的是哪种技术?

答:据说,该项目使用的是某大学开发的铝金属合金分解水制氢的技术,也就是说,“水氢发动机”实际上应该叫做“铝-水氢燃料电池发动机”,假如当初是这么个说辞,是不是咱们就没有这么多热闹看了?特制的铝合金粉末可以与水发生反应,快速生成氢气,铝被氧化为氧化铝,这样产生的氧化铝纯度很高,可以回收后作为产品出售,弥补部分使用差价。

问题4:为什么铝就能够直接和水反应生成氢气?为什么选用铝金属?

答:铝在金属活性表中的位置较为靠前,在一定条件下(催化剂、温度、压力)能够分解水产生氢气,同时分子量较小,稳定反应的化学价较高,单位质量的铝产氢比其他金属要高(9:1),同时,铝属于大宗工业产品,价格较低。这一点大家倒是可以做一个居家小实验:铝粉(反应物)加上铁粉(催化剂)放在水中,加入一点食用盐(提高导电性),然后把水加热到70℃左右(或者直接倒入热水),就能够看到大量的气泡冒出来,这些气体就是氢气了,做实验要千万注意安全,在通风、没有明火的地方做这个验证,不然会很危险。

问题5:这种产氢方式应用在汽车上有什么优势?

答:首先,在加氢站、氢气的储存、运输等等配套技术与基础建设都远未完善的今天,车载实时制氢装置不失为一种安全、有效的氢能源汽车发展方向。通过工艺流程和制氢专用装置的特殊设计,可以保证氢燃料电池所需的具有一定压力、流量的氢气稳定、安全、即时生成,随产随用,不需要特质钢瓶进行储存,而金属和水本身不具有燃烧、爆炸的风险,大大提高了氢燃料电池汽车的安全性。其次,反应后的金属氧化物仍然具有极高的回收利用价值,目前的市场差价约为10000元左右,而这10000元的投入可以使一辆氢燃料电池汽车行驶超过15000公里,平均每公里约0.67元,基本与汽油车价格持平。

下图是其他车企的铝水反应电池新能源汽车

问题6:这项技术距离实际应用还有多远?

答:这项技术的应用并不是遥不可及的,正如前面所说,很多单位都已经实现了,在更新更好的储氢技术出现之前,这项技术完全可以作为过渡技术进行推广。未来有可能出现能够彻底解决氢能储存、运输的技术,快速更换反应物的装置设计和“加铝站”的服务配套建设需要跟上,同时整体的产业链(铝金属采购和氧化铝销售)也需要打通,只能说目前刚刚走出了工业化的第一步。

事情再探讨一步,德国的212燃料电池潜艇,用的是稀土合成材料储存氢气的技术,很重的储氢材料,只能带一点点氢气,同时还要携带液氧,储存代价比较大。这种金属水反应技术,也许不仅仅在汽车上,可能在其他领域也有应用的可能性。

综上,这次报道的技术,实际上是“金属水反应制氢+氢氧燃料电池+储能电池+电动机”的组合动力单元。

从技术原理上,能够实现,而且正在工程化和产业化。

同类技术的突破,使得氢燃料电池大巴在没有加氢站的情况,也可以运行。只要定期向大巴车加水和特殊燃料棒,大巴车即可以运行,又被誉为“烧水的汽车”。更为重要的,车载氢发生器是“实时按需制氢”,平时车辆放置时不产生、也不存储氢气,相比常规氢能源车辆使用的高压氢气储罐,安全性提升显著。车载氢气发生器的使用压力低(小于7个大气压),相比常规氢能源车辆使用的高压氢气储罐(压力为350~700个大气压),更加安全、可靠、经济。另外,特殊燃料棒制氢后的残料可以加工成高纯氧化铝粉、氧化铝纤维棉、多孔陶瓷等高价值产品,可以提升整个产业链利润,并降低氢气成本。

客观的讲,一些技术原理正确的事情,不一定可以产业化,我们的现代科技,大部分都还是基于几百年前的经典物理和化学,可以实现,但不一定便宜合算。

隐身衣原理正确,但由于光学频段尺度,需要一个相当大的场地,所以现实里没有;水变油也是原理正确,它是用水里的二氧化碳,通过一系列酸化反应,变成油组分的碳氢化合物,也就是C9到C16(碳9和碳16)各种烃类组合,只是成本很高,准确的讲,低成本的水变油不很容易。很多年前,确实有一个水变油的骗局,在水里加点什么,搅一搅就变成油了,后来被戳穿了而已。

这次的网络舆论乌龙事件,我感觉是双方面的,媒体和非技术人员在发言时进行了过度保密(铝金属产氢技术),而很多大众也不很理解,就造成了热议。

科学探讨与产业化是有联系有区别的。创新往往不容易被大众和商用接受。

这篇文章仅是对”水氢发动机“技术及实现原理的探讨,并不代表对于青年汽车的技术认可,因为其目前透露的技术细节的信息仍十分有限,到底能否实现”具有经济效益“的商用还有待进一步观察。

原文标题:水氢发动机到底是不是伪科学?

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