甲醇燃料電池動力汽車：未來可以很美

文/胡振民 趙大勛

甲醇燃料電池動力汽車：未來可以很美

文/胡振民 趙大勛

甲醇燃料電池技術，是我國克服生態(tài)危機和能源危機的重要技術基礎。發(fā)展甲醇燃料電池動力汽車，能夠促進我國動力技術的革命性變革，使我國新能源汽車實現(xiàn)跨越式發(fā)展。這種新能源形式，也為廣義上的治理大氣環(huán)境污染及保證我國能源安全，奠定了重要的技術基礎。因此，發(fā)展該項技術，對我國具有重大的戰(zhàn)略意義。

汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過上百年的發(fā)展歷程，已經(jīng)在全世界形成十分完整的產(chǎn)業(yè)鏈。因石油能源危機和大氣環(huán)境污染危機，人類才警醒而啟動新能源汽車的研發(fā)工作?？v觀近20年來世界新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，迄今為止，尚沒有一種讓汽車業(yè)界和消費者共同滿意的新能源汽車技術和產(chǎn)品。主要問題是：甲醇燃料電池動力汽車研制工作進展緩慢，尚未達到工程化水平；純電動汽車和儲氫能源汽車，均存在污染排放轉移、續(xù)航里程過小、需到處建充電站或加氫站等問題。

從能態(tài)學角度發(fā)展新能源汽車

從能態(tài)學的觀點看，汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過上百年的發(fā)展，已經(jīng)成為人類物質文明所不可或缺的組成部分，其蘊含的不僅僅是汽車產(chǎn)業(yè)市場規(guī)律，更重要的是其賴以生存和發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)規(guī)律。其中，包括人類潛在的用車習慣、完善的汽車售后服務體系、無處不在的燃油供應網(wǎng)絡，為用車提供了便捷可靠的服務保障。但是，目前全世界已經(jīng)推出的各類新能源汽車，均不能直接繼承現(xiàn)有的汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境而必須重建，將導致許多社會問題。具體表現(xiàn)在：

一、 純電動汽車不能根本解決污染問題，還將帶來一系列社會發(fā)展問題。

純電動汽車即使解決了續(xù)航里程小的問題，短時期內(nèi)也難以解決到處建充電站的問題。同時，由于純電動汽車蓄電池壽命周期比車總體短，車輛從購買到報廢，需要更換3～4次蓄電池。這些都注定純電動汽車的受眾不可能大，難以成為世界未來的主流汽車。

純電動汽車最本質的問題是，其所用電能是已經(jīng)造成環(huán)境污染后產(chǎn)生的，是經(jīng)過污染轉移后的“零排放”，而且所用蓄電池報廢后，還存在污染環(huán)境的問題。因此，純電動汽車并非名副其實的清潔能源汽車。

二、氫燃料電池汽車先天不足，無法成為未來主流汽車。

儲氫燃料電池汽車主要受制于車輛一次的氫氣攜帶量，還與純電動汽車一樣存在續(xù)航里程短和需要到處建加氫站的問題。由于氫氣屬于易燃易爆物質，其儲存和使用均有嚴格的防爆安全要求，因此，建加氫站的投資將比建充電站要大得多。由此種種都注定該種汽車也不可能成為世界未來的主流汽車。

由于純電動汽車和儲氫燃料電池汽車均存在各種先天不足，目前，發(fā)達國家均減緩了發(fā)展勢頭，并轉向甲醇燃料電池動力技術的開發(fā)工作。

發(fā)展新能源汽車是一項非常復雜的系統(tǒng)工程，應按照能態(tài)學的創(chuàng)新思維方法，首先明確發(fā)展新能源汽車需要解決的問題是什么，其次是通過研究論證，找出解決問題的技術路線與方法，第三是將其上升至國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，從政策上大力扶持，目標明確地整合各種資源并為之奮斗，才能真正走出一條中國自主

甲醇燃料電池動力汽車到底是什么？

甲醇燃料電池動力技術，是將甲醇與水混合后重整制氫，供燃料電池發(fā)電，由電力驅動汽車行駛。甲醇重整制氫和燃料電池發(fā)電過程均不產(chǎn)生PM2.5。醇水重整制氫的排放物是二氧化碳，燃料電池的排放物是水。采用能量回收技術，能源利用率是內(nèi)燃機的兩倍，在汽車攜帶等量甲醇和燃油的條件下，二者續(xù)航里程相當，而甲醇的價格僅為燃油的三分之一左右。

甲醇燃料電池和蓄電池組合成汽車的動力電源。整個系統(tǒng)由甲醇重整制氫分系統(tǒng)、燃料電池分系統(tǒng)、綜合管理控制分系統(tǒng)和蓄電池組組成。其中，蓄電池屬于輔助電力，只需要幾度電力容量即可，而且蓄電池淺充淺放，壽命長。該系統(tǒng)中除車載甲醇重整制氫設備外，其他都是商業(yè)化成熟技術。

甲醇燃料電池動力汽車的優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

1．可以完全繼承傳統(tǒng)汽車燃料供應體系

甲醇在常溫常壓下是液體，由于其熱值比燃油低，防爆安全程度比燃油高，儲存和運輸可以完全繼承原有汽車燃料供應體系，無需重建。而汽車將原有油箱改為甲醇箱即可。

2．無PM2．5尾氣排放

甲醇燃料電池動力系統(tǒng)運行排放的尾氣經(jīng)汽水分離，將氣體返回甲醇重整器中，尾氣中各種殘留的可燃性氣體（包括氮氧化物），在過氧環(huán)境下，被氧化催化劑徹底氧化成二氧化碳和水汽排出。因此，從甲醇轉化成電力到排出尾氣的全過程中，沒有PM2.5產(chǎn)生的環(huán)境和機會。

3．二氧化碳排放量小

根據(jù)我國能源電力系統(tǒng)火力發(fā)電二氧化碳排放量統(tǒng)計算平均值，甲醇重整制氫時的二氧化碳排放量，是純電動車（相對于火力發(fā)電）和汽油車的二分之一。但是，由于甲醇生產(chǎn)過程要吸收等量二氧化碳，從本質看，它的使用對自然生態(tài)沒有任何改變。

4．續(xù)航里程和傳統(tǒng)汽車相當

按甲醇和汽油的等熱值計算，同等車載體積，汽油的有效熱功率為33%。而甲醇重整的氫氣轉化效率在80～90%（扣除系統(tǒng)熱損失），燃料電池的熱效率可達60%，兩者綜合熱效率可以達到48～54%。而燃料電池的熱效率還存在很大的提升空間。

在城市路況下內(nèi)燃機的實際效率會更低，但甲醇燃料電池汽車以電力驅動，實際熱效率不受影響，再采用制動功率回收技術，最高可回收電力38%，續(xù)航里程應大于汽油車。

5．成本低于現(xiàn)有各種新能源汽車動力系統(tǒng)

燃料電池生產(chǎn)成本如同IT產(chǎn)品，在形成批量之后會大幅下降，甲醇重整器所用的催化劑沒有貴金屬，制造成本有限。甲醇重整產(chǎn)生的氫氣需要提純和去除一氧化碳，選擇不用貴金屬鈀膜技術，而采用成熟的選擇性一氧化碳氧化催化劑和氫回收膜技術相組合方案，比鈀膜提純成本低的多，但系統(tǒng)工作更可靠。

另外，甲醇燃料電池動力采用電-電混合動力，和純電動汽車相比蓄電池用量很少；和純氫燃料電池汽車相比，其峰值功率由蓄電池提供，燃料電池功率可以減少三分之二，系統(tǒng)配置成本自然低很多；和油電混合動力汽車相比，形成批量后生產(chǎn)成本相當，但可以解決環(huán)保問題。

6．甲醇是綠色能源且價格低

二氧化碳與氫氣合成為甲醇和水，不存在污染排放問題，其制備過程還可以固化大氣中的二氧化碳，從重整制氫到變成電力的全過程，也不存在污染排放問題，說明甲醇是真正的綠色清潔能源。同時，甲醇的生產(chǎn)和使用，又是二氧化碳、水、氫氣和氧氣的循環(huán)往復過程，總體看對自然生態(tài)平衡沒有破壞和影響。因此，將石化能源轉化為甲醇并重整制氫，再通過燃料電池變成電能，用于人類的社會活動，是根治大氣環(huán)境污染、實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的科學之路。

目前，甲醇價格是汽油的三分之一左右，和傳統(tǒng)汽車相比較，在燃料消費同等的情況下，用戶可以獲得3倍的行駛里程。或者說與汽油車行駛相同的里程，所花費用卻僅為其三分之一。如此大的競爭優(yōu)勢，無疑會使甲醇燃料電池動力汽車，成為人們爭相購買的主流汽車。

甲醇燃料電池動力關鍵技術已獲重大突破

目前，我國燃料電池技術已基本成熟，主要性能指標已經(jīng)達到或超過國際先進水平，具備了工程應用的基本技術條件。

甲醇重整制氫是大型化工行業(yè)非常成熟的工藝技術，但是，將制氫設備小型化和微型化需要攻克許多技術難題。主要包括：重整制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運行控制難、氫氣去除一氧化碳提純難及系統(tǒng)冷啟動周期長 。發(fā)達國家為此開展技術研究20年至今未達到工程應用水平。

目前，我國甲醇重整制氫設備微型化技術已獲得重大突破：

1． 恒溫式甲醇重整制氫技術

這是一項能夠確保甲醇重整制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵技術。和大型工業(yè)裝置不同的是，所用控制恒溫反應的熱媒介質，是無味、無毒和無害的配制型熱媒物質，完全滿足民用產(chǎn)品的使用標準。通過合理的工藝流程設計，將三種催化劑的最佳工藝溫度，均控制在相變熱交換的條件下，確保所有化學反應均在恒溫條件下進行。方法是將系統(tǒng)內(nèi)部壓力和甲醇輸送泵及冷風扇轉速形成閉環(huán)控制，使全系統(tǒng)處于十分穩(wěn)定的工作狀態(tài)。該項技術已申報國家發(fā)明專利。

2． 一氧化碳選擇性催化氧化技術

重整氣中氫氣含量大于70%，而一氧化碳含量為1～2%，氫氣和一氧化碳都屬于高還原性氣體，要求催化劑在高富氫環(huán)境下，通過微量氧氣的介入，高選擇性脫除一氧化碳到1ppm以下，還要使氫氣不受損失。這類催化劑的最佳反應溫度控制窗口很窄，采用帶相變化的蒸發(fā)冷卻控制技術，才能保證一氧化碳脫除反應的穩(wěn)定性。其中，催化劑和相變冷媒配伍的技術難度非常大。目前，可直接利用醇水蒸發(fā)做相變冷媒的高選擇性一氧化碳氧化催化劑已開發(fā)成功。

3． 富氫尾氣回收技術

氫氣中的一氧化碳被凈化到1ppm以下，就可以滿足氫燃料電池發(fā)電使用，但燃料電池排出的尾氣中，還有部分氫氣可以回收利用。微型化的膜法回收尾氫技術可以使回收率達到70～80%，使整個發(fā)電系統(tǒng)的甲醇熱效率非常高。

4． 無油渦旋膨脹壓縮機技術

利用無油渦旋膨脹壓縮機技術，使供燃料電池的空氣經(jīng)壓縮端得到凈化和增壓，可提高燃料電池的發(fā)電效率。同時，空氣尾氣和氫氣尾氣混合后經(jīng)催化燃燒器回收余熱，再經(jīng)膨脹端進行熱功回收，減少空氣增壓功率消耗，使全系統(tǒng)凈發(fā)電輸出得到大幅提升。

5． 電-電聯(lián)合冷啟動技術

這是甲醇燃料電池與蓄電池組配套使用的技術。在正常行駛情況下，由燃料電池動力驅動汽車行駛，并將多余電能供蓄電池充電。在有急事需要馬上出發(fā)時，也可以先用蓄電池組獨立供電驅動汽車行駛，而待甲醇氫燃料電池系統(tǒng)預熱好，再轉為正常行駛工況。該技術方案可以解決冷啟動時間過長的問題。

以上關鍵技術的突破，使中國在甲醇重整移動制氫技術上，已經(jīng)處于世界領先地位。目前，已經(jīng)應用以上技術成果，完成5kW實驗室原理樣機的研制。經(jīng)運行試驗，工作非常穩(wěn)定，各項性能指標均達到設計要求?，F(xiàn)在正在進行5kW裝車試驗樣機的設計加工。

以上說明，甲醇重整制氫設備微型化的技術路線已經(jīng)走通，開展甲醇燃料電池動力汽車研制工作，已經(jīng)沒有不可逾越的技術障礙。

甲醇燃料電池動力汽車帶動新能源汽車跨越式發(fā)展

發(fā)展甲醇燃料電池動力汽車從四方面體現(xiàn)其必要性：

一是我國實現(xiàn)綠色交通目標的基本需要。

二是汽車移動制氫設備微型化關鍵技術已經(jīng)突破，技術路線已經(jīng)走通，已經(jīng)具備開展甲醇燃料電池動力汽車研制工作的基本條件。

三是我國甲醇產(chǎn)能過剩，無處消耗，用其制氫可以避免資源浪費，并降低能源危機的壓力。另外，中國的煤炭儲量足以維系200年，如果將其轉化為甲醇替代石油，我國的能源安全可在未來200年內(nèi)免受外來威脅。

四是要化解能態(tài)危機（能源危機和生態(tài)危機的合稱），發(fā)展固碳排氧能源產(chǎn)業(yè)是唯一出路。

甲醇燃料電池動力汽車未來可以很美

1．純電動汽車和儲氫燃料電池汽車，都屬于經(jīng)過PM2．5污染排放后的零排放，并缺乏市場競爭力，最終都將被淘汰。而甲醇燃料電池動力汽車，是世界汽車工業(yè)最終都要走的發(fā)展道路。

鑒于甲醇燃料電池動力汽車關鍵技術已經(jīng)突破，技術路線已經(jīng)走通，建議國家出臺扶持政策，并協(xié)調相關汽車行業(yè)共同攻關，走出一條中國自主創(chuàng)新的新能源汽車發(fā)展之路。

2．中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)一旦步入甲醇重整制氫動力階段，并全面推行使用，必將帶動國家能源結構快速地向煤化工甲醇產(chǎn)業(yè)和自然能源甲醇相結合的新能源產(chǎn)業(yè)轉化，能態(tài)學所倡導的固碳排氧工業(yè)將擁有強勁的市場推動力，引領中國能源經(jīng)濟向能態(tài)經(jīng)濟轉化。

（作者單位：胡振民系廣東能態(tài)科技投資有限公司，趙大勛系北京華強清能科技有限公司）