涨知识丨话说​铝燃料电池

涨知识丨话说铝燃料电池

2017-07-11 王祝堂 铝加工

世界上第一个燃料电池是威廉·格罗夫（William Grove）1939年发明的，至今已有78年的历史，经这些年的发展，已从单体铝燃料电池（图1）发展到有各种实用价值的电源（供电系统），如德阳东深新能源科技有限公司的堆砌式发电站和车载移动电站等（图2及图3）。电池阳极为发生氧化反应的铝板，是电子流出的电极，阴是指发生还原反应的电极，是电子流入的电极。

图1 单元铝燃料电池示意图

图2 东深新能源科技有限公司的堆砌式铝燃料电池堆发电站

图3 东深新能源科技有限公司车载铝燃料电池移动电站

中国铝燃料电池的发展

世界上铝燃料电池的较大规模研发始于上世纪60年代的美国，上世纪70年代他们集中于航海航标灯、矿井照灯等电源用电池的研究；上世纪80年代加拿大铝电源公司（Aluminum Power）采用铝合金阳极和有效的空气（氧）电极制成的电池体系在便携式电源、备用电源推向市场，为铝燃料电池的商化应用作出了很大贡献；2014年6月国外媒体报道了美国铝业公司与以色列菲涅金公司（Phinergy）联合研发的动力铝燃料装置在汽车上进行路况试跑，续航里程达1600km的世界纪录，在燃料电池发展史上具有里程碑意义，为动力铝燃料电池的发展作出了巨大贡献，使菲涅金公司成为世界铝燃料电池的领跑者。这种铝燃料电池系统阳极由50块铝板组成，每块质量500g，总质量25kg，每一块铝板提供的电力可使电动汽车行驶32km。

2014年2月，美国铝业公司与菲涅金公司就铝燃料电池的进一步开发签订了合作协议，并于6月初在加拿大蒙特利尔一级方程式赛道上对铝燃料电池电动汽车进行了试驾，计划于2017年实现电动汽车专用铝燃料电池批量生产，推向世界市场。

中国对铝燃料电池研发始于上世纪90年代，现已成为世界最大的铝燃料电池研发与生产国，但研发技术与美国、以色列相比还有一些差距。中国从事相关技术研究的单位主要有中国科学院过程工程研究所、大连物理化学研究所、船舶重工712所、北京大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学、北京有色金属研究总院、四川德阳东深新能源科技有限公司、台州非常新能源科技有限公司、云南冶金集团创新金属燃料电池股份有限公司等。截至2016年中国生产新能源动力电池的大大小小企业约有150家。

东深新能源科技有限公司

该公司成立于2011年10月，位于四川省德阳市旌阳区高新产业区，国家高新技术企业，拥有自主知识及欧盟、美国发明专利多项，目前国内唯一《铝-空气金属料发电堆》标准备案企业，与美国UL总部、香港生产力促进局（HKPC）共同制定了铝燃料电池UL国际标准，国内率先实现铝燃料电池产业化企业之一，使中国铝燃料电池的研发及市场化取得重大进展。

东深新能源科技有限公司自2011年成立以来，取得的阶段性成就有：2012获得《燃料电池的结构和制备方法》专利转让；2013年制成50kW铝燃料发电机样机；2014年核心材料和关键技术取得实质性突破；2015年新能源汽车动力电池系统大功率铝燃料电池系统关键技术项目列入省科技厅支撑计划，铝燃料电池不间断电源系统（UPS）被省经委和省财政厅认定为四川省重大技术装备省内首台（套）产品；2016年《大功率铝燃料电池系统》获PCT（专利合作协定）欧盟授权英、法、德、意生效；2016年与中国铁塔集团签订1000台基站不间断电源系统合同，实现了铝燃料电池的商业化生产。

当下，东深新能源科技有限公司生产铝燃料电池系统有两大类：容量型（STK-X），主要适用于不间断电源，容量大，比功率小，应用于通讯基站、移动式充电桩、智能微电网等；功率型（FMG-X），这种电源功率大，容量小，主要用作牵引动力，应用于车辆、航空航天器、舰船等。

2017年2月24日，中国有色金属工业协会会长陈全训、副会长文献军等一行在考察德阳东深新能源科技有限公司时兴奋地说：“你们做了一件非常有意义的事情，铝燃料电池理论性的探讨走到了产业化，这是新能源革命突破，你们是开拓者。”陈全训对该公司寄予厚望，他对公司研发团队说：“铝燃料电池是个好项目，但要形成商品化、市场化将有大量事情要做，你们是开拓者，中国有色金属工业协会将支持你们的产品开发和推广应用，充分利用我们协会的优势，为你们提供帮助，今后我们要继续跟踪，希望你们的事业成功发展。”

非常新能源科技有限公司（SUPER）

该公司位于浙江省台州市，在研发铝燃料电池领域取得骄人的业绩，已开发出各种大中小型电源投入市场，与北京大学、台州市政府合作成立了“台州市非常金属燃料电池研究中心”，致力于提升铝燃料电池系统并实现产业化、开发混合系统并应用于电动汽车领域以及新的金属燃料电池系统等研究。

公司生产的多项铝燃料电池参加了2016美国拉斯维加斯展览。拥有一系列核心技术：铝合金电极的制备，阳极自腐蚀的抑制与钝化抑制及放电活性的提高；氧还原催化材料的制备及空气扩散电极的连续化生产；含活性添加剂电解液的制备与电解液处理系统，可以抑制阳极腐蚀，减少极化，提高电池效率；电解液循环系统、空气流通保障系统和电池组热管理系统；电池系统机械式再充电，合金阳极放电后机械换新；放电产物和电解液集中再生处理，制备高纯纳米氧化铝，实现产物价值提升，所有物质循环再利用。

采用新型催化剂配方制备空气电极，成本低、性能高，其单位面积放电密度已达到国外同类产品水平，填补了该类产品的国内空白。2013年率先建成国内首条连续化空气电极生产线。

公司获得10余项发明专利，拥有国内和国际专利授权，形成了具有自主知识产权的核心技术体系。利用电化学方法将发电产物制成高附加值纳米级氧化铝，或将是生产纳米级氧化铝的全新革命性技术，已在军工领域获得应用，荣获全军科技进步三等奖。

云南冶金集团创能金属燃料电池股份有限公司

创能公司自主研发铝燃料电池关键材料及其制备技术填补了云南省在此领域的空白：

空气极成本低，而且使用寿命长达7000h，达到国际领先水平；
自主生产的特种铝合金阳极板不但生产成本低，而且其性能可与奥科宁克铝业公司的高纯铝板相媲美；
电解液性能达到世界领先水平，实现了废电解液综回收制备高附加值超细氧化铝粉、阻燃剂等多种产品的生产；
产品获得授权专利4项、企业标准5项；
已建成20MW铝燃料电池组装生产线，主导产品为随身电源、大中型备用电源、动力电源、辅助材料等，电源产品生产能力可达20万台/年。

铝燃料电池发展趋势

当前全世界动力电源研发单位与生产企业都把力量投放于燃料电池，而铝燃料电池的开发又是重中之重，因为铝燃料电池具有可比拟的诸多优点：

铝的资源丰富，价格合理，铝燃料电池制造成本约为500元/kWh，是锂离子电池生产成本4000元/kWh的1/8；
用于汽车上，运行成本与燃油汽车的相当或更低一些，铝燃料电池汽车百公里约消耗3kg铝、5L水与电解液，运行成本约59元，而一般乘人车的油耗约8L/100km，按7.63元/L计算约合61元；
续航能力高于锂离子电池，铝燃料电池比能量可达到350Wh~500Wh，是锂离子电池120Wh~150Wh的3倍，因此在同等质量时，铝燃料电池携带电量为锂离子电池的3倍，续航里程也是锂离子电池的3倍；
更换方便，铝燃料电池消耗的是铝及水，运行过程中只需要换铝板与加适量水，操作简便；
绿色环保，铝燃料电池运行期间主要副产物是Al(OH）3，不但对环境无害，而且可回收，制成纳米级Al2O3粉；
绝对安全，不会产生燃烧爆炸。

国外简况

奥科宁克铝业公司与以色列菲涅金公司在开发铝燃料电池方面居世界领先水平，为此领域技术与制造工程的领跑者。日本丰田汽车公司研究院（Toyota Research Institute）将与美国斯坦福大学、麻省理工学院（MIT）、密歇根大学、纽约州立水牛城大学、康涅狄格大学以及英国的伊利卡（Ilika）研究所等合作研发基于人工智能（AI）的新能源电池材料。

来源：

中国工信部对汽车动力电池产业发展制定方案

2017年4月，国家工信部、发改委、科技部、财政部等有关部门联合印发出台《促进汽车动力电池产业发展行动方案》（以下简称《行动方案》）。《行动方案》提出分三个阶段推进我国动力电池发展：2018年，提升现有产品性价比，保障高品质电池供应；2020年，基于现有技术改进的新一代锂离子动力电池实现大规模应用；2025年，采用新化学原理的新体系电池力争实现技术变革和开发测试。

《行动方案》提出了5个方面的发展目标：大幅提升产品性能，2020年动力电池系统比能量力争比现有水平提高一倍达到260Wh，成本降至1元/Wh以下，2025年动力电池单体比能量达到500Wh；二是产品安全性满足大规模使用需求，实现全生命周期的安全生产和使用；三是产业规模合理有序发展，2020年行业总产能1000亿Wh、形成产销规模400亿Wh以上的龙头企业；四是关键材料及零部件取得重大突破，2020年形成具有核心竞争力的创新型骨干企业；五是高端装备支撑产业发展，2020年实现装备智能化发展、制造成本大幅降低。

《行动方案》提出了实现发展目标的9项重点任务：建设动力电池创新中心，实施动力电池提升工程，加强新体系动力电池研究，推进全产业链协同发展，提升产品质量安全水平，加快建设完善标准体系，加强测试分析和评价能力建设，建立完善安全监管体系，加快关键装备研发与产业化。

《行动方案》的出台对加快推动我国汽车动力电池产业发展将起到巨大作用。

来源：中国有色金属报

延伸阅读：

　　铝燃料电池的产业化进程，将为铝工业、为能源工业都带来崭新的发展空间，更在倡导节能减排、推进清洁能源发展的大规划中，彰显其重大的现实意义。

　　有色金属“十三五”发展规划提出新材料“高端发展，高精尖导向”，而铝燃料电池就是导向项目。它的诞生将为我国铝工业打开一扇窗，一个绿色、可循环的大产业正在向我们走来。

　　铝电池产业化的难题与对策：

　　铝电池虽研究较多，但却没有一种能真正实现工业产业化，究其原因有三点：

　　（1）铝容易形成致密的氧化膜，使铝电极电位迅速下降；

　　（2）铝较活泼且是两性元素，容易与介质发生严重析氢反应；

　　（3）碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应产物均为AI(OH)3，不但降低电解质电导率而且增加铝阳极极化，使得铝电池性能恶化，生成的胶状AI(OH)3在无催化剂条件下很难转化为可溶于水的AI(OH)4-。

　　当前解决上述问题一般从以下三点出发：