淺談甲醇燃料電池汽車，中國發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-04 13:33
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甲醇重整制氫在海外經(jīng)歷了長達10年（2006-2016年）的低潮期，僅僅在備用電源領域有所應用。而國內(nèi)從2010年起，開始有企業(yè)對此關注，做相應的研究，但尚未嘗試將甲醇重整燃料電池系統(tǒng)集成到汽車上應用。
2011年，世界大學生運動會在深圳舉行。當年，市政府決定推廣2011輛新能源車，其中1000輛采用了磷酸鐵鋰電池。也正是這批電池催生了甲醇燃料電池在汽車上的應用：因為那一批的鋰電池電動車里程衰減太快，迫切需要解決方案，有人開始考慮用燃料電池給鋰電池隨車充電——增程式。
2015年，Mirai橫空出世，7萬美元的售價，113kW的電堆，一下子打開了中國氫燃料電池工作者的思路：燃料電池可以做到很便宜。性能上不需要一口氣達到100kW以上，可以從30kW開始。
在這個技術路線的指導下，基于甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開始進入我國汽車制造業(yè)的視野，正式邁入中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舞臺，并由此開始在中國得到深入研究。
甲醇重整制氫+氫燃料電池系統(tǒng)作為“發(fā)電機”系統(tǒng)，主要有三種技術路線：
A. 第一類技術是甲醇重整+高溫燃料電池，這類技術是現(xiàn)階段發(fā)展最快的技術路徑，已在電動車及其他特殊領域得到了眾多成功應用。
高溫燃料電池是指工作溫度在160℃以上的質子交換膜技術。相比于85℃左右工作溫度的常溫/低溫系統(tǒng)，高溫燃料電池的160℃工作溫度可以保證氫氣在電堆內(nèi)反應后的產(chǎn)物都是水蒸氣，而不存在液態(tài)水的可能。這樣可以避免淹堆、反極等低溫燃料電池電堆會碰到的問題。從硬件配置上來講，可以規(guī)避氫氣循環(huán)泵、增濕器等，對于空壓機的要求也會低很多，可以大大簡化系統(tǒng)的設計。
圖1：典型的甲醇重整高溫燃料電池系統(tǒng)圖
這類高溫燃料電池兼顧了PAFC磷酸燃料電池和PEM質子交換膜燃料電池的優(yōu)點，采用了PEM燃料電池的結構，通過使用PBI（聚苯并咪唑）膜和H3PO4磷酸傳導質子，雖然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低溫質子交換膜小，但是系統(tǒng)效率高。最重要的是，高溫堆能耐受2%的CO，不會形成鉑催化劑中毒。
這套系統(tǒng)中，甲醇和水的混合液重整制氫的過程是一個吸熱的過程，相比之下，還有其他的重整技術，可以實現(xiàn)甲醇自熱重整反應：導入一定量的氧氣參與氧化，這樣重整器當中就會產(chǎn)生一定量的CO2、水蒸氣和O2一起進入的保護氣體N2。自放熱的重整器的優(yōu)勢在于體積可以做得很小，但是缺點也很明顯，會引入空氣，導致最后進入電堆的氣體中非氫氣的成分較多。
甲醇和水的混合液在氣化的過程中，需要吸收大量的熱，這一部分的熱，在使用高溫燃料電池時，可以由電堆工作時的”廢熱“來提供。高溫電堆的廢熱溫度在160℃，可以將甲醇和水的混合液充分地汽化，這樣大大節(jié)約了能源，提高了系統(tǒng)的整體效率。通過使用集成式的散熱器，可以大大縮小體積，使得系統(tǒng)結構更加緊湊。
蘇州氫潔電源科技有限公司在2016年和東風特汽聯(lián)合開發(fā)了一款基于甲醇重整制氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的T7型電動物流車，并于2018年獲得工信部公告，取得綠色運營牌照。
圖2：甲醇重整制氫燃料電池電動物流車
除電動物流車外，廣獲關注的還包括軍民融合項目中的“ 靜默式移動發(fā)電車”。該車是由傳統(tǒng)依維柯柴油車改造而成，裝有30kW的甲醇重整制氫燃料電池及近50kWh高倍率電池，還攜帶有可以發(fā)出1000kWh電力的甲醇水，能靜默發(fā)電，滿足諸多軍事供電需求。
圖3： 甲醇重整制氫燃料電池靜默移動發(fā)電車
這一技術路線同樣獲得造車新勢力愛馳汽車公司的親睞，2018年北京車展時，愛馳公司展出一款續(xù)航里程達1200公里的電動超跑，該車搭載一臺5kW的甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，還配有一個甲醇箱，采用“電”-“電”混合的模式，來為電池提供電力補充。
圖4：搭載甲醇重整燃料電池系統(tǒng)的電動跑車
B. 第二類技術是甲醇重整制氫+氫氣提純+低溫燃料電池，將獲得的氫氣（通常含有H2，CO2，CO及水蒸氣）進行提純，獲得99.99%純度的高純氫，氫氣再進入燃料電池電堆發(fā)電。
圖5，甲醇重整制氫提純配低溫堆乘用車應用
C． 第三類技術是甲醇重整+除CO裝置+低溫燃料電池。
這一技術的特點是，通過催化劑，對甲醇重整產(chǎn)生的混合氣中的CO進行選擇性氧化，使之變?yōu)镃O2，從而以混合氣的形式進入到低溫堆的陽極，氫氣參與反應發(fā)電，其他氣體從陽極排出。整個系統(tǒng)的排放僅有水汽和CO2。
目前該技術，除歐洲部分研究所外，國內(nèi)的部分企業(yè)也在進行相關方面的研究。
除以上三種甲醇重整制氫燃料電池系統(tǒng)外，還有一種就是直接甲醇燃料電池DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）。
這類電池的陽極反應是：
CH4O + H2O = CO2 + 6H + + 6 e-
陰極反應是：
6H + + 6 e- + 3/2 O2 = 3 H2O
電堆的結構也是PEM的結構，雙極板加質子膜是主體部分。
2018年10月在江蘇如皋世界氫能大會上，另一家造車新勢力公司W(wǎng)eltmeister威馬公司推出一款基于直接甲醇燃料電池的汽車。
該車以直接甲醇燃料電池系統(tǒng)為“增程器”，通過甲醇發(fā)電來實現(xiàn)和電池的匹配，實現(xiàn)增程，開拓了一條新的路徑。
相同的理念，在基于甲醇M100的商用車或轎車上，DMFC在能夠批量化降低成本的前提下，也會給APU帶來完美的解決方案。
圖6：搭載直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的電動車
總而言之，從國內(nèi)外甲醇氫燃料電池的發(fā)展歷史來看，技術路徑已經(jīng)打通，國外汽車公司已有技術積累。中國產(chǎn)業(yè)對此類技術的掌握和持有相關產(chǎn)品，目前還處于工程化建設階段，除需要解決量產(chǎn)、降低成本等問題外，特別需要重視的是提高產(chǎn)品可靠性和一致性等問題。
可以預見，假以時日，甲醇氫燃料電池的發(fā)展會逐步發(fā)力，依托中國的甲醇供應體系，和電動汽車緊密結合，走出一條“分布式”可再生能源的新路，發(fā)展成為具有低碳清潔能源特色的中國汽車動力體系。
