全國(guó)甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)家彪仕奇：中國(guó)甲醇燃料電池汽車(chē)未來(lái)發(fā)展展望
使用甲醇作為汽車(chē)燃料對(duì)于國(guó)人來(lái)說(shuō)并不陌生。全國(guó)甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)家彪仕奇了解到，在過(guò)去的近二十多年時(shí)間里，對(duì)于甲醇燃料的內(nèi)燃機(jī)研究一直沒(méi)有間斷。
隨著吉利公司的董事長(zhǎng)李書(shū)福在2017年和2018年的兩會(huì)期間對(duì)甲醇汽車(chē)的宣傳，甲醇汽車(chē)開(kāi)始逐步進(jìn)入民眾的視野。甲醇生產(chǎn)企業(yè)彪仕奇調(diào)查了解，吉利從2005年開(kāi)始研發(fā)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，2015年開(kāi)始有6輛甲醇轎車(chē)走出國(guó)門(mén)，在冰島進(jìn)行測(cè)試。在2017年更是推出新一代的商用車(chē)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)。將甲醇在車(chē)輛上的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展。
與甲醇內(nèi)燃機(jī)相對(duì)的，還有一條技術(shù)路線(xiàn)是“甲醇?xì)淙剂想姵亍?。由于中?guó)的汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)在燃料電池的技術(shù)路線(xiàn)上的投入總體偏少，除上汽在燃料電池方面和新源動(dòng)力有合作推出榮威750和950兩款燃料電池樣車(chē)外，甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)彪仕奇發(fā)現(xiàn)其他公司的產(chǎn)品鮮有報(bào)道。
甲醇燃料電池汽車(chē)在中國(guó)的誕生是基于電動(dòng)公交車(chē)的迅速發(fā)展！
2011年，世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)在深圳舉行。全國(guó)甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)家彪仕奇調(diào)查了解，當(dāng)年市政府決定推廣2011輛新能源車(chē)，其中1000輛采用了沃特瑪?shù)牧姿徼F鋰電池。正是這批電池催生了甲醇燃料電池在汽車(chē)上的應(yīng)用，因?yàn)槟且慌匿囯姵仉妱?dòng)車(chē)?yán)锍趟p太快！半年后司機(jī)就開(kāi)始抱怨里程僅為原來(lái)的60-70%！跑相同的里程，充電次數(shù)由原來(lái)的一日一充變成一日兩充！司機(jī)在終點(diǎn)站要去換車(chē)，讓電力不足的車(chē)在那里充電！
如此一來(lái)，對(duì)電動(dòng)車(chē)的管理提出了新的挑戰(zhàn)。政府主管部門(mén)開(kāi)始擔(dān)憂(yōu)，如果鋰電池技術(shù)無(wú)法突破，將來(lái)是否需要對(duì)這一批車(chē)進(jìn)行報(bào)廢，未來(lái)是否可以推廣純電動(dòng)公交車(chē)？
提升電池性能是一種方式，對(duì)鋰電池在行車(chē)的過(guò)程中充電，也不失為一種延長(zhǎng)電池壽命，延長(zhǎng)續(xù)航里程的方式。
但是用清潔能源發(fā)電的方式，有多少種選擇？
內(nèi)燃機(jī)做混合動(dòng)力，在深圳同樣有嘗試，但是鎳氫電池組和發(fā)動(dòng)機(jī)的混動(dòng)實(shí)際運(yùn)行效果不好。除去內(nèi)燃機(jī)，就是氫燃料電池了。
甲醇生產(chǎn)企業(yè)彪仕奇了解到，為了世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)，深圳也曾臨時(shí)建了一個(gè)加氫站，五洲龍公司也生產(chǎn)了幾臺(tái)氫燃料電池大巴車(chē)，但是在運(yùn)動(dòng)會(huì)結(jié)束，這些背著氫罐的大巴車(chē)就進(jìn)入了車(chē)庫(kù)，臨時(shí)的加氫站也停止了運(yùn)營(yíng)。
縱觀(guān)各類(lèi)技術(shù)，甲醇制氫發(fā)電似乎是一條不錯(cuò)的道路。
從深圳電動(dòng)車(chē)日耗電300kWh，工作時(shí)間12h左右來(lái)推算，25kW的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該可以比較好地解決電力衰減問(wèn)題。
甚至如果采用10kW的系統(tǒng)，一天補(bǔ)電120kWh，也可以省去“第二次”充電。
在這種背景下，大家開(kāi)始討論將甲醇重整燃料電池系統(tǒng)“上車(chē)”。彼時(shí)大家對(duì)甲醇重整請(qǐng)燃料電池的理解還是在“固定式應(yīng)用”，尤其是在通信基站方面的應(yīng)用。
知名的燃料電池公司Ballard，曾經(jīng)收購(gòu)了一家Edatech的公司，該公司基于甲醇重整制氫、提純后進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)電的系統(tǒng)被成功應(yīng)用于通信基站，作為后備電源，可以在電網(wǎng)斷電時(shí)提供電力供應(yīng)。
該設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景是通信基站的后備電源，所以專(zhuān)門(mén)配置了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、將甲醇桶也內(nèi)置在柜內(nèi)，所以體積很大，這樣的柜子上車(chē)，顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。
但是這類(lèi)基于甲醇燃料電池的產(chǎn)品給出了一個(gè)方向。通過(guò)使用液體燃料，將其中所含有的C-H鍵打開(kāi)，將氫氣取出來(lái)，再將氫氣導(dǎo)入到電堆中發(fā)電，發(fā)電的過(guò)程無(wú)PM2.5，無(wú)噪音。
最關(guān)鍵的是1L甲醇水溶液可以發(fā)出1kwh的電量，這是甲醇作為液體燃料的最大優(yōu)勢(shì)：能量密度高。純甲醇的能量密度是4.5kwh/L，理想的系統(tǒng)效率達(dá)到50%時(shí)，會(huì)有10倍于鋰電池的能量密度。
廣東合即得公司對(duì)標(biāo)巴拉德公司的ElectraGen的重整制氫系統(tǒng)，在設(shè)備小型化上做了很多研究，選擇了同樣的技術(shù)路線(xiàn)：甲醇和水預(yù)先混好，在重整器內(nèi)預(yù)熱汽化，進(jìn)而重整制氫，氫提純（不純的氣再燃燒提供汽化及重整提純所需要的能量），再進(jìn)入低溫堆發(fā)電。在2013年推出一款體積比該設(shè)備小很多的小型重整制氫設(shè)備，連接巴拉德的電堆組成系統(tǒng)發(fā)電。
該系統(tǒng)引起了深圳五洲龍公司的高度重視，這種組合將可以迅速解決電動(dòng)車(chē)每日兩充的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電電混合。
與此同時(shí)，廣東合即得也和低速觀(guān)光電動(dòng)車(chē)企業(yè)聯(lián)合，推出了2個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)的甲醇重整氫燃料電池觀(guān)光車(chē)。
后來(lái)廣東合即得也在乘用車(chē)領(lǐng)域與車(chē)企開(kāi)展了一些項(xiàng)目合作，通過(guò)對(duì)增程式電動(dòng)車(chē)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)甲醇重整燃料電池與鋰電池的“電電混合”。
這一技術(shù)路線(xiàn)的主要難點(diǎn)在與對(duì)氫氣的提純。據(jù)甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)彪仕奇了解，他們采用了“鈀管”作為提純裝置。鈀對(duì)氫的提純，本質(zhì)是氫穿透鈀膜。鈀膜在300-500DegC的條件下，H2分子會(huì)在壓力較高的鈀膜一側(cè)的表面被電離為質(zhì)子和電子，形成一個(gè)鈀氫的暫態(tài)物，在壓力低的那一側(cè)在解離成為氫氣和鈀原子?？梢岳斫獬墒恰斑x擇性過(guò)濾膜“。
鈀膜的厚度可以是幾個(gè)微米至幾百個(gè)微米，需要綜合考慮強(qiáng)度，成本、工藝等因素來(lái)制備相應(yīng)的過(guò)濾裝置，目前沒(méi)有在汽車(chē)上大面積使用的主要原因可能還是在成本以及工藝方面。
相比于鈀而言，工業(yè)上大規(guī)模氫提純選用的是PSA，Phase Shift Adsorption（變壓吸附）的工藝。顧名思義，這種技術(shù)有兩大要素：1.吸附劑，2.壓力變化。吸附劑通常以分子篩的形式存在，被裝在一個(gè)容器內(nèi)，在高壓力的情況下，氫氣和分子篩結(jié)合，逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，之后進(jìn)行管路切換，降低系統(tǒng)的壓力，這時(shí)吸附劑內(nèi)吸附的氫氣會(huì)被釋放出來(lái)。
2016年，北京氫璞科技有限公司曾經(jīng)和東風(fēng)汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)一款車(chē)載PSA廂式物流車(chē)，后來(lái)并沒(méi)有推向市場(chǎng)。
PSA的小型化比較困難，系統(tǒng)需要較高壓力的氫氣泵，在壓力變化的過(guò)程中，也消耗較多的電能，因此制約了其在汽車(chē)上的使用。
與這兩類(lèi)基于”純氫“的技術(shù)路線(xiàn)相對(duì)應(yīng)的還有一類(lèi)技術(shù)是甲醇重整+高溫燃料電池。高溫燃料電池是指工作溫度在160度以上的質(zhì)子交換膜技術(shù)。相比于常溫/低溫的系統(tǒng)工作在85DegC左右，高溫燃料電池的160DegC工作溫度可以保證氫氣在電堆內(nèi)反應(yīng)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(huì)碰到的問(wèn)題。從硬件配置上來(lái)講，可以規(guī)避氫氣循環(huán)泵、增濕器等，對(duì)于空壓機(jī)的要求也會(huì)低很多，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
這類(lèi)高溫燃料電池兼顧了PAFC磷酸燃料電池和PEM質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，采購(gòu)用了PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用PBI（聚苯并咪唑）膜來(lái)和H3PO4磷酸傳導(dǎo)質(zhì)子，雖然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低溫質(zhì)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(huì)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(guò)程是一個(gè)吸熱的過(guò)程，相比之下，還有其他的重整技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)甲醇自熱重整反應(yīng)：導(dǎo)入一定量的氧氣參與氧化，這樣產(chǎn)生的重整器當(dāng)中就會(huì)一定量的CO2，水蒸氣以及和O2一起進(jìn)入的N2。自放熱的重整器的優(yōu)勢(shì)在于體積可以做得很小，但是缺點(diǎn)也很明顯，會(huì)引入空氣，導(dǎo)致最后進(jìn)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(guò)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(shí)，可以由電堆工作時(shí)的”廢熱“來(lái)提供。高溫電堆的廢熱溫度在160DegC，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)的效率。通過(guò)使用集成式的散熱器，可以大大縮小體積，可以使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。
蘇州氫潔電源科技有限公司在2016年和東風(fēng)特汽聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款基于甲醇重整氫燃料電池系統(tǒng)的T7型電動(dòng)物流車(chē)，并在2018年獲得工信部公告。
除電動(dòng)物流車(chē)外，廣獲關(guān)注的還包括軍民融合項(xiàng)目中的”靜默式發(fā)電車(chē)”。改車(chē)由傳統(tǒng)依維柯柴油車(chē)改建而成，裝有30kW的燃料電池，近50kWh高倍率電池，攜帶可以發(fā)出1000kWh電力的甲醇水，能靜默發(fā)電，滿(mǎn)足諸多軍事供電需求。
2018年北京車(chē)展時(shí)，愛(ài)馳公司展出一款續(xù)航里程達(dá)1200公里的電動(dòng)超跑，該車(chē)搭載一臺(tái)5kW的甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，再配一個(gè)甲醇箱，采用“電”-“電”混合的模式，來(lái)為電池提供電力補(bǔ)充。
2018年10月在江蘇如皋世界氫能大會(huì)上，另一家造車(chē)新勢(shì)力的公司W(wǎng)eltmeister威馬公司推出一款基于直接甲醇燃料電池的汽車(chē)，頗為引人注目，但技術(shù)方面的報(bào)道甚少。
總體而言，甲醇生產(chǎn)企業(yè)彪仕奇認(rèn)為基于甲醇作為液體燃料的諸多優(yōu)勢(shì)，在車(chē)載領(lǐng)域甲醇有較廣的應(yīng)用空間，可以從APU輔助電源設(shè)備開(kāi)始，逐步拓展為增程器，車(chē)載發(fā)電機(jī)。
甲醇生產(chǎn)企業(yè)彪仕奇可以預(yù)見(jiàn)，作為一種能源載體，甲醇將會(huì)和電動(dòng)汽車(chē)緊密結(jié)合，走出一條“分布式”可再生能源的新路，發(fā)展成為中國(guó)特色的新能源體系。
