专家讲堂||浅谈甲醇燃料电池汽车（下篇）：中国发展现状及趋势

　　甲醇重整制氢在海外经历了长达10年（2006-2016年）的低潮期，仅仅在备用电源领域有所应用。而国内从2010年起，开始有企业对此关注，做相应的研究，但尚未尝试将甲醇重整燃料电池系统集成到汽车上应用。 　  

　　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辆采用了磷酸铁锂电池。也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，迫切需要解决方案，有人开始考虑用燃料电池给锂电池随车充电——增程式。

　　2015年，Mirai横空出世，7万美元的售价，113kW的电堆，一下子打开了中国氢燃料电池工作者的思路：燃料电池可以做到很便宜。性能上不需要一口气达到100kW以上，可以从30kW开始。 

　　在这个技术路线的指导下，基于甲醇重整燃料电池发电系统开始进入我国汽车制造业的视野，正式迈入中国汽车产业的发展舞台，并由此开始在中国得到深入研究。   

　　甲醇重整制氢+氢燃料电池系统作为“发电机”系统，主要有三种技术路线： 

　　A.  第一类技术是甲醇重整+高温燃料电池，这类技术是现阶段发展最快的技术路径，已在电动车及其他特殊领域得到了众多成功应用。 

　　高温燃料电池是指工作温度在160℃以上的质子交换膜技术。相比于85℃左右工作温度的常温/低温系统，高温燃料电池的160℃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1：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，采用了PEM燃料电池的结构，通过使用PBI（聚苯并咪唑）膜和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，这样重整器当中就会产生一定量的CO₂、水蒸气和O₂一起进入的保护气体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160℃，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，提高了系统的整体效率。通过使用集成式的散热器，可以大大缩小体积，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制氢燃料电池发电系统的T7型电动物流车，并于2018年获得工信部公告，取得绿色运营牌照。 

图2：甲醇重整制氢燃料电池电动物流车 

　　除电动物流车外，广获关注的还包括军民融合项目中的“ 静默式移动发电车”。该车是由传统依维柯柴油车改造而成，装有30kW的甲醇重整制氢燃料电池及近50kWh高倍率电池，还携带有可以发出1000kWh电力的甲醇水，能静默发电，满足诸多军事供电需求。 

图3： 甲醇重整制氢燃料电池静默移动发电车 

　　这一技术路线同样获得造车新势力爱驰汽车公司的亲睐，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，还配有一个甲醇箱，采用“电”-“电”混合的模式，来为电池提供电力补充。

图4：搭载甲醇重整燃料电池系统的电动跑车   

　　B. 第二类技术是甲醇重整制氢+氢气提纯+低温燃料电池，将获得的氢气（通常含有H₂，CO₂，CO及水蒸气）进行提纯，获得99.99%纯度的高纯氢，氢气再进入燃料电池电堆发电。 

图5，甲醇重整制氢提纯配低温堆乘用车应用   

　　C． 第三类技术是甲醇重整+除CO装置+低温燃料电池。 

　　这一技术的特点是，通过催化剂，对甲醇重整产生的混合气中的CO进行选择性氧化，使之变为CO₂，从而以混合气的形式进入到低温堆的阳极，氢气参与反应发电，其他气体从阳极排出。整个系统的排放仅有水汽和CO₂。 

　　目前该技术，除欧洲部分研究所外，国内的部分企业也在进行相关方面的研究。 

　　除以上三种甲醇重整制氢燃料电池系统外，还有一种就是直接甲醇燃料电池DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）。 

　　这类电池的阳极反应是： 

　　CH₄O + H₂O = CO₂ + 6H ⁺ + 6 e^-

　　阴极反应是： 

　　6H ⁺ + 6 e^- + 3/2 O₂ = 3 H₂O

　　电堆的结构也是PEM的结构，双极板加质子膜是主体部分。 

　　2018年10月在江苏如皋世界氢能大会上，另一家造车新势力公司Weltmeister威马公司推出一款基于直接甲醇燃料电池的汽车。 

　　该车以直接甲醇燃料电池系统为“增程器”，通过甲醇发电来实现和电池的匹配，实现增程，开拓了一条新的路径。 

　　相同的理念，在基于甲醇M100的商用车或轿车上，DMFC在能够批量化降低成本的前提下，也会给APU带来完美的解决方案。 

图6：搭载直接甲醇燃料电池系统的电动车      

　　总而言之，从国内外甲醇氢燃料电池的发展历史来看，技术路径已经打通，国外汽车公司已有技术积累。中国产业对此类技术的掌握和持有相关产品，目前还处于工程化建设阶段，除需要解决量产、降低成本等问题外，特别需要重视的是提高产品可靠性和一致性等问题。 

　　可以预见，假以时日，甲醇氢燃料电池的发展会逐步发力，依托中国的甲醇供应体系，和电动汽车紧密结合，走出一条“分布式”可再生能源的新路，发展成为具有低碳清洁能源特色的中国汽车动力体系。 

　　作者：沈建跃 系上海博氢新能源科技有限公司董事长 

　　编辑：蒙轩