中国甲醇燃料电池汽车发展展望

中国甲醇燃料电池汽车发展展望甲醇作为汽车燃料对于国人来说并不陌生。

在过去近二十多年的时间里，甲醇燃料的内燃机的研究一直没有间断。

随着吉利公司的董事长李书福在2017年和2018年的两会期间对甲醇汽车的宣传，甲醇汽车开始逐步进入民众的视野。

吉利从2005年开始研发甲醇发动机，2015年开始有6辆甲醇轿车走出国门，在冰岛进行测试。

在2017年更是推出新一代的商用车甲醇发动机。

将甲醇在车辆上的应用范围进一步拓展。

与甲醇内燃机相对的，还有一条技术路线是“甲醇氢燃料电池”。

由于中国的汽车主机厂在燃料电池的技术路线上的投入总体偏少，除上汽在燃料电池方面和新源动力有合作推出荣威750和950两款燃料电池样车外，其他公司的产品鲜有报道。

甲醇燃料电池汽车在中国的诞生是基于电动公交车的迅速发展！
2011年，世界大学生运动会在深圳举行。

当年，市政府决定推广2011辆新能源车，其中1000辆采用了沃特玛的磷酸铁锂电池。

正是这批电池催生了甲醇燃料电池在汽车上的应用：因为那一批的锂电池电动车里程衰减太快！半年后司机就开始抱怨里程仅为原来的60-70%！跑相同的里程，充电次数由原来的一日一充变成一日两充！司机在终点站要去换车，让电力不足的车在那里充电！
如此一来，对电动车的管理提出了新的挑战。

政府主管部门开始担忧，如果锂电池技术无法突破，将来是否需要对这一批车进行报废，未来是否可以推广纯电动公交车？
提升电池性能是一种方式，对锂电池在行车的过程中充电，也不失为一种延长电池寿命，延长续航里程的方式。

但是用清洁能源发电的方式，有多少种选择？
内燃机做混合动力，在深圳同样有尝试，但是镍氢电池组和发动机的混动实际运行效果不好。

除去内燃机，就是氢燃料电池了。

为了世界大学生运动会，深圳也曾临时建了一个加氢站，五洲龙公司也生产了几台氢燃料电池大巴车，但是在运动会以结束，这些背着氢罐的大巴车就进入了车库，临时的加氢站也停止了运营。

纵观各类技术，甲醇制氢发电似乎是一条不错的道路。

从深圳电动车日耗电300kWh，工作时间12h左右来推算，25kW的燃料电池系统应该可以比较好地解决电力衰减问题。

甚至如果采用10kW的系统，一天补电120kWh，也可以省去“第二次”充电。

在这种背景下，大家开始讨论将甲醇重整燃料电池系统“上车”。

彼时大家对甲醇重整请燃料电池的理解还是在“固定式应用”，尤其是在通信基站方面的应用。

知名的燃料电池公司Ballard，曾经收购了一家Edatech的公司，该公司基于甲醇重整制氢、提纯后进入燃料电池电堆发电的系统被成功应用于通信基站，作为后备电源，可以在电网断电时提供电力供应。

图一：甲醇重整制氢系统的固定式应用
该设备的应用场景是通信基站的后备电源，所以专门配置了一个标准机箱、将甲醇桶也内置在柜内，所以体积很大，这样的柜子上车，显然是不太现实的。

但是这类基于甲醇燃料电池的产品给出了一个方向。

通过使用液体燃料，将其中所含有的C-H键打开，将氢气取出来，再将氢气导入到电堆中发电，发电的过程无PM2.5，无噪音。

最关键的是1L甲醇水溶液可以发出1kwh的电量，这是甲醇作为液体燃料的最大优势：能量密度高。

纯甲醇的能量密度是4.5kwh/L，理想的系统效率达到50%时，会有10倍于锂电池的能量密度。

广东合即得公司对标巴拉德公司的ElectraGen的重整制氢系统，在设备小型化上做了很多研究，选择了同样的技术路线：甲醇和水预先混好，在重整器内预热汽化，进而重整制氢，氢提纯（不纯的气再燃烧提供汽化及重整提纯所需要的能量），再进入低温堆发电。

在2013年推出一款体积比该设备小很多的小型重整制氢设备，连接巴拉德的电堆组成系统发电。

该系统引起了深圳五洲龙公司的高度重视，这种组合将可以迅速解决电动车每日两充的问题，实现电电混合。

与此同时，广东合即得也和低速观光电动车企业联合，推出了2个模块驱动的甲醇重整氢燃料电池观光车。

图二：2015年，合即得在微型电动车上开始试装车。

后来广东合即得也在乘用车领域与车企开展了一些项目合作，通过对增程式电动车进行改造，实现甲醇重整燃料电池与锂电池的“电电混合”。

图三，甲醇重整制氢提纯配低温堆乘用车应用
这一技术路线的主要难点在与对氢气的提纯。

据巴拉德的公开文献称，他们采用了“钯管”作为提纯装置。

钯对氢的提纯，本质是氢穿透钯膜。

钯膜在300-500DegC的条件下，H2分子会在压力较高的钯膜一侧的表面被电离为质子和电子，形成一个钯氢的暂态物，在压力低的那一侧在解离成为氢气和钯原子。

可以理解成是“选择性过滤膜“。

钯膜的厚度可以是几个微米至几百个微米，需要综合考虑强度，成本、工艺等因素来制备相应的过滤装置，目前没有在汽车上大面积使用的主要原因可能还是在成本以及工艺方面。

相比于钯而言，工业上大规模氢提纯选用的是PSA，Phase Shift Adsorption（变压吸附）的工艺。

顾名思义，这种技术有两大要素：1. 吸附剂，2. 压力变化。

吸附剂通常以分子筛的形式存在，被装在一个容器内，在高压力的情况下，氢气和分子筛结合，逐步达到饱和状态，之后进行管路切换，降低系统的压力，这时吸附剂内吸附的氢气会被释放出来。

2016年，北京氢璞科技有限公司曾经和东风汽车公司合作开发一款车载PSA厢式物流车，后来并没有推向市场。

PSA的小型化比较困难，系统需要较高压力的氢气泵，在压力变化的过程中，也消耗较多的电能，因此制约了其在汽车上的使用。

与这两类基于”纯氢“的技术路线相对应的还有一类技术是甲醇重整+高温燃料电池。

高温燃料电池是指工作温度在160度以上的质子交换膜技术。

相比于常温/低温的系统工作在85DegC左右，高温燃料电池的160DegC工作温度可以保证氢气在电堆内反应后的产物都是水蒸气，而不存在液态水的可能。

这样可以避免淹堆、反极等低温燃料电池电堆会碰到的问题。

从硬件配置上来讲，可以规避氢气循环泵、增湿器等，对于空压机的要求也会低很多，可以大大简化系统的设计。

图四：典型的甲醇重整高温燃料电池系统图
这类高温燃料电池兼顾了PAFC磷酸燃料电池和PEM质子交换膜燃料电池的优点，采购用了PEM燃料电池的结构，通过使用PBI（聚苯并咪唑）膜来和H3PO4磷酸传导质子，虽然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低温质子交换膜小，但是系统效率高。

最重要的是，高温堆能耐受2%的CO，不会形成铂催化剂中毒。

这套系统中，甲醇和水的混合液重整制氢的过程是一个吸热的过程，相比之下，还有其他的重整技术，可以实现甲醇自热重整反应：导入一定量的氧气参与氧化，这样产生的重整器当中就会一定量的CO2，水蒸气以及和O2一起进入的N2。

自放热的重整器的优势在于体积可以做得很小，但是缺点也很明显，会引入空气，导致最后进入电堆的气体中非氢气的成分较多。

甲醇和水的混合液在气化的过程中，需要吸收大量的热，这一部分的热，在使用高温燃料电池时，可以由电堆工作时的”废热“来提供。

高温电堆的废热温度在160DegC，可以将甲醇和水的混合液充分地汽化，这样大大节约了能源，提高了系统的效率。

通过使用集成式的散热器，可以大大缩小体积，可以使得系统结构更加紧凑。

苏州氢洁电源科技有限公司在2016年和东风特汽联合开发了一款基于甲醇重整氢燃料电池系统的T7型电动物流车，并在2018年获得工信部公告。

图五：甲醇重整氢燃料电池物流车
除电动物流车外，广获关注的还包括军民融合项目中的”静默式发电车”。

改车由传统依维柯柴油车改建而成，装有30kW的燃料电池，近50kWh高倍率电池，携带可以发出1000kWh 电力的甲醇水，能静默发电，满足诸多军事供电需求。

图六：甲醇重整燃料电池静默发电车
2018年北京车展时，爱驰公司展出一款续航里程达1200公里的电动超跑，该车搭载一台5kW的甲醇重整燃料电池发电系统，再配一个甲醇箱，采用“电”-“电”混合的模式，来为电池提供电力补充。

图七：搭载甲醇重整燃料电池系统的电动跑车
2018年10月在江苏如皋世界氢能大会上，另一家造车新势力的公司Weltmeister威马公司推出一款基于直接甲醇燃料电池的汽车，颇为引人注目，但技术方面的报道甚少。

图八：搭载直接甲醇燃料电池系统的电动车
总体而言，基于甲醇作为液体燃料的诸多优势，在车载领域甲醇有较广的应用空间，可以从APU辅助电源设备开始，逐步拓展为增程器，车载发电机。

可以预见，作为一种能源载体，甲醇将会和电动汽车紧密结合，走出一条“分布式”可再生能源的新路，发展成为中国特色的新能源体系。