高溫甲醇燃料電池的應用研究

0   引言

燃料電池是一種通過(guò)發(fā)生在陽(yáng)極和陰極的氧化還原反應將化學(xué)能轉化為電能的能量轉化裝置。其獨特的異相電催化反應過(guò)程使得電化學(xué)反映在催化劑表面獲得較高的交換電流密度。而燃料電池的能量密度則主要取決于燃料儲存系統的容量，可通過(guò)增加燃料罐體積或者數量獲得提升。燃料電池系統可以同時(shí)兼具高能量密度和高功率密度，這一特點(diǎn)是任何一種二次電池都不可能具備的，其根本原因在于封閉體系和開(kāi)放式工作方式的本質(zhì)區別。同時(shí)兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現代汽車(chē)對動(dòng)力系統的最基本技術(shù)要求。從本質(zhì)上看，二次電池是能量?jì)Υ嫜b置，通過(guò)可逆的電化學(xué)反應實(shí)現電能的儲存和釋放。而燃料電池作為電能的生產(chǎn)裝置，其工作方式跟內燃機比較類(lèi)似。燃料電池的二次電池在工作方式上的本質(zhì)不同，決定了二次電池可能更適用于中小功率的儲能用于，而燃料電池則可能更適合較大功率的應用。當下國內氫氧燃料電池的發(fā)展較為迅速，和五年前相比，各種性能指標都有了大幅提高。比如，壽命和五年前相比提高了300%，普遍達到了5 000 h。產(chǎn)業(yè)鏈也初步建設起來(lái)，但是要推進(jìn)燃料電池行業(yè)的商業(yè)化，不單單要解決燃料電池的成本，同時(shí)還需要解決氫源成本等問(wèn)題。中國雖然有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫，電解氫技術(shù)也相對成熟。但是氫氣的輸送、分配及加氫等環(huán)節尚存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，加氫站的關(guān)鍵設備還要進(jìn)口，導致成本較高，限制了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。甲醇是國內最易實(shí)現的氫源載體之一，甲醇可以通過(guò)重整的方式在線(xiàn)制備氫氣，從而為燃料電池汽車(chē)提供氫源，不僅解決了運輸問(wèn)題，并且在安全和經(jīng)濟方面也有一定的優(yōu)勢。使用過(guò)程中沒(méi)有NOx、SOx 等污染物排出。高溫甲醇燃料電池正是采用甲醇水溶液為燃料的新能源電池，現階段有諸多優(yōu)點(diǎn)：對比傳統內燃機有排放優(yōu)勢，對比二次電池有續航優(yōu)勢，對比氫空燃料電池有燃料的儲運優(yōu)勢。當然高溫技術(shù)路線(xiàn)還存在一些挑戰。

1   高溫甲醇燃料電池的介紹

1.1 高溫甲醇燃料電池的原理

高溫甲醇燃料電池系統主要有3 種技術(shù)路線(xiàn)：第1 類(lèi)技術(shù)是甲醇重整+ 除CO 裝置+ 低溫電堆。技術(shù)特點(diǎn)是，通過(guò)催化劑，對甲醇重整產(chǎn)生的混合氣中的CO 進(jìn)行選擇性氧化，使之變?yōu)镃O₂；再進(jìn)行降溫處理后，以混合氣的形式進(jìn)入到低溫堆的陽(yáng)極，氫氣參與反應發(fā)電，其他氣體從陽(yáng)極排出。整個(gè)系統的排放僅有水汽和CO₂。第2 類(lèi)技術(shù)是甲醇重整制氫+ 氫氣提純+ 低電堆，將獲得的氫氣（通常含有H₂、CO₂、CO 及水蒸氣）進(jìn)行提純，獲得99.99% 純度的高純氫，氫氣降溫后再進(jìn)入低溫電堆發(fā)電。第3 類(lèi)技術(shù)是甲醇重整+ 高溫電堆，這類(lèi)技術(shù)是現階段發(fā)展最快的技術(shù)路徑，已在電動(dòng)車(chē)及其他特殊領(lǐng)域得到了眾多成功應用。三種技術(shù)路線(xiàn)的主要區別在于系統中的電堆不同，導致對陽(yáng)極氣體的需求差異。本文的后續內容以采用第3 類(lèi)技術(shù)路線(xiàn)的高溫甲醇燃料電池進(jìn)行論述。

高溫甲醇燃料電池系統使用的燃料為甲醇水溶液，系統化學(xué)反應主要在燃燒室、重整反應室和電堆中進(jìn)行。燃燒室的主要作用為：①啟動(dòng)過(guò)程中為整個(gè)系統提供能量；②為物料的氣化提供熱量；③為重整腔的重整反應補充一定的能量。其中燃燒區主要進(jìn)行燃燒反應^[1]：

將重整反應器與電堆集成，當啟動(dòng)階段平穩后，整個(gè)反應系統進(jìn)入穩定運行狀態(tài)后，系統將電堆中過(guò)量陽(yáng)極氫氣作為燃燒燃料返回燃燒室。氫氣燃燒的反應為：

重整反應室的主要作用是將氣化甲醇轉化為氫氣，主要進(jìn)行化學(xué)反應為^[1]：

電堆放電反應的原理如圖1，在催化劑的作用下，進(jìn)入電池陽(yáng)極的氫氣原子分解成質(zhì)子和電子，其中質(zhì)子進(jìn)入電解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子經(jīng)過(guò)外電路行程電流后，到達陰極。在陰極催化劑作用下，質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應形成水分子。反應過(guò)程中的排放物只有水。其中兩電極的反應分別為^[1]：

陽(yáng)極( 負極)：2H₂-4e=4H+

陰極( 正極)：O₂+4e+4H+=2H₂O

圖1 電堆放電反應的原理

電堆的工作過(guò)程中同時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱，燃料電池系統對電堆的產(chǎn)熱進(jìn)行回收，一部分用于液態(tài)甲醇的氣化，另一部分采用如熱電連供等方式進(jìn)行回收，理論上可以使系統在額定工作輸出時(shí)效率到達70% 以上。

1.2 高溫甲醇燃料電池系統的主要構成

高溫甲醇燃料電池系統主要由重整反應器、高溫電堆、熱管理、水管理、控制單元等幾部分構成。圖2 是系統工作流程圖。甲醇燃料與空氣供給重整反應器產(chǎn)出氫氣，空氣與氫氣作為電堆陰陽(yáng)極的輸入，電堆放電經(jīng)過(guò)DC/DC 配合二次單池輸出電能，同時(shí)燃料電池系統運行過(guò)程中產(chǎn)生熱量，可被回收利用。

圖2 系統工作流程

1.3 高溫甲醇燃料電池系統的運行流程

高溫甲醇燃料電池系統的運行過(guò)程中，從功能的角度主要分為兩個(gè)部分，一是將液態(tài)的甲醇水溶液轉化為氫氣的過(guò)程。另一部分是將高溫電堆放電過(guò)程。兩者之間并非簡(jiǎn)單的上下游關(guān)系，而是緊密相連，相輔相成的。根據主要的功能，系統運行過(guò)程如圖3，甲醇水溶液儲存箱里的燃料經(jīng)過(guò)閥門(mén)、液泵和計量傳感器之后進(jìn)入換熱器進(jìn)行氣化，氣化之后的甲醇蒸汽分為兩路，一路供給重整器啟動(dòng)階段的燃燒使用。另一路供給重整反應產(chǎn)生氫氣，氫氣隨后進(jìn)入電堆?？諝饴芬卜譃閮刹糠?，分別供給燃燒和電堆。但在實(shí)際操作運行中，系統流程較為復雜。

圖3 高溫甲醇燃料電池系統的運行流程

2   甲醇重整制氫的設計特征

2.1 質(zhì)量功能展開(kāi)的概念

在市場(chǎng)競爭日趨激烈的今天，產(chǎn)品的高質(zhì)量意味著(zhù)必須在產(chǎn)品性能、可靠性、安全性、適應性、經(jīng)濟性和時(shí)間性等方面全面滿(mǎn)足顧客的需求。要達到這樣的高質(zhì)量?jì)H僅靠高水平的制造系統和精心的制作是無(wú)法實(shí)現的，必須從產(chǎn)品的設計和開(kāi)發(fā)階段開(kāi)始注入新的觀(guān)念和思維，為用戶(hù)著(zhù)想，滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求。質(zhì)量功能展開(kāi)技術(shù)是用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量保證的一種方法，可確保從開(kāi)發(fā)、設計開(kāi)始的全過(guò)程的質(zhì)量。它把用戶(hù)的需求或聲音轉化為設計工程師的語(yǔ)言，通過(guò)產(chǎn)品規劃、零部件規劃、工藝規劃和質(zhì)量控制轉換成可度量的產(chǎn)品。因此，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中QFD 過(guò)程的有效規劃與管理是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。QFD 的最大優(yōu)點(diǎn)之一是能在產(chǎn)品早期設計階段對產(chǎn)品設計做出有效的規劃和預防，將顧客的要求恰如其分地轉換成工程設計人員所能理解的產(chǎn)品和零部件的技術(shù)特征，以及配置到制造過(guò)程的各工序上和生產(chǎn)計劃中，使得設計和制造的產(chǎn)品能真正的滿(mǎn)足顧客需求。從而避免在產(chǎn)品研制后期出現不必要的返工和重復性工作^[1]。

2.2 高溫甲醇燃料電池的顧客需求分析

顧客需求是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最基本輸入信息，是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的依據和源頭，也是企業(yè)正確制定產(chǎn)品開(kāi)發(fā)戰略的基礎。摘選部分顧客需求如下：

●   系統功率

●   產(chǎn)品成本

●   系統啟動(dòng)時(shí)間

●   系統體積比功率與質(zhì)量比功率

●   系統效率

●   存儲溫度：-40~60 ℃

●   環(huán)境溫度：-20~45 ℃

●   工作環(huán)境溫度：-30~45 ℃

●   低溫自啟動(dòng)：-20 ℃

●   海拔高度≤ 2 000 m

●   環(huán)境相對濕度范圍：5%~95%

●   架壽命≥ 5 000 h

●   平均無(wú)故障時(shí)間≥ 500 h

●   系統的防水防塵要求：IP67GB/T 4208—2017

●   系統的振動(dòng)要求：SAE J2380GB/T 33978—2017

●   系統的沖擊要求：5 g GB/T 36288—2018

●   系統的電磁兼容要求：SMTC3800 006—2017

●   甲醇重整器的CO 濃度

●   甲醇重整器的轉化率

2.3 甲醇重整器的結構

甲醇重整器是高溫甲醇燃料電池系統中的核心零部件。甲醇重整器的主體結構包括蒸發(fā)器、混合器、重整反應器、換熱器、具有催化劑的燃燒設備、凈化器( 處理重整產(chǎn)物中的雜質(zhì))、啟動(dòng)裝置等設備。其中，甲醇的重整反應需要的熱量由燃燒設備提供，燃燒設備的燃料來(lái)源有兩部分，一是啟動(dòng)階段使用的甲醇燃料，二是穩定運行時(shí)采用轉化出來(lái)的多余氫氣。甲醇重整反應的最終產(chǎn)出物為水和一氧化碳。重整器的主要功能是將液態(tài)甲醇燃料轉化為氫氣，是高溫系統的核心零部件之一。重整器的技術(shù)路線(xiàn)主要有催化重整和自熱重整兩種，自熱重整不在本文論述。重整系統對熱量的控制較為關(guān)鍵，需要精確的監控各環(huán)節溫度。

2.4 甲醇重整器的工作原理

系統啟動(dòng)時(shí)，在重整器的燃燒腔入口處，按一定比例向燃燒室通入空氣和液態(tài)甲醇，為了保證燃燒區域溫度的均勻分布，在燃燒室入口處設有專(zhuān)門(mén)的燃燒物料均布裝置。甲醇與空氣進(jìn)入燃燒物料均布裝置后，沿通道均勻地進(jìn)入相應的燃燒室，使得在燃燒腔內均布燃燒，從而獲得均勻的溫度分布。當重整腔室達到合適的重整反應溫度時(shí)，通入合適比例的甲醇物料和空氣，重整反應即可迅速啟動(dòng)并維持穩定。室溫無(wú)蒸發(fā)器的條件下，在燃燒催化劑的作用下，甲醇和水即可發(fā)生催化燃燒反應，產(chǎn)生熱，使得整個(gè)重整制氫反應器內的溫度升高，也是可以達到重整目的；但是隨著(zhù)功率需求的提升，從啟動(dòng)時(shí)間、壽命和性能等角度綜合評估，或許就需要采用換熱器。

應用于車(chē)載的甲醇重整制氫的工作溫度范圍在200~300 ℃，反應壓力為0.8~1.2 MPa。CH₃0H 與H₂0的摩爾比在：1:1~1:1.6。反應產(chǎn)物中會(huì )存在產(chǎn)生少量CO 和CO₂。因此，反應氣體若是給低溫電堆系統使用，為了防止燃料電池因CO 中毒，在甲醇重整過(guò)程中需要對氣體進(jìn)行凈化處理。但是供給高溫系統電堆時(shí)，2%以?xún)鹊腃O 不會(huì )對電堆產(chǎn)生毒化影響。

2.5 重整器的設計特性

通過(guò)零部件設計階段的質(zhì)量屋的建立和分析，可以找出實(shí)現工程特征要求的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節，重新進(jìn)行有關(guān)零部件特征的方案設計。零部件設計階段的質(zhì)量屋的最終輸出是能保證實(shí)現工程特征要求的零部件特征要求。結合實(shí)際的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，摘選甲醇重整器的主要設計特征如下：

床層：床層厚度越小越有利于傳熱，性能越高，但也會(huì )帶來(lái)結構強度、密封、制造工藝等問(wèn)題，在設計過(guò)程中應合理考慮，尤其是在車(chē)用大功率重整器的開(kāi)發(fā)中，需要重視車(chē)用環(huán)境中振動(dòng)帶來(lái)的可靠性問(wèn)題。

●   傳熱距離：熱源與重整腔室內壁的距離。

●   重整工作溫度：在一定的高溫條件下，有利于提高氫產(chǎn)量及轉化效率。同時(shí)，也有利于系統的動(dòng)態(tài)平衡。但是，溫度過(guò)高會(huì )導致CO 的含量變高，降低電堆的使用壽命。

●   熱容：保證一定的熱容有利于系統的穩定。但是，車(chē)用條件下，為了讓甲醇重整器的啟動(dòng)時(shí)間盡量縮短，設計時(shí)需要根據具體結構平衡取舍，提高集成化，降低熱容；

●   催化劑顆粒：重整反應產(chǎn)物需要通過(guò)反應器中的多孔擴散至主氣流中，催化劑顆粒大小也會(huì )影響重整效果；

●   保溫：保溫在系統運行中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。較好的保溫結構可以快速讓系統進(jìn)入穩態(tài)，縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高系統效率和穩定性；

2.6 重整反應的熱量平衡計算

熱量平衡是重整系統穩定運行的必要前提，以36 kW 電堆的額定輸出下熱量的計算方法為例。氫氣量計算：36 kW 電堆，電壓按0.6 V 計算，放電電流為：

I = P/V = 36 000/0.6 = 60 000 A

理論H2 量：V = RTIt/PzF = (8.314×298×60 000×60)/(101.3×2×96485)=456 L/min。若按進(jìn)氣量為1.4 倍計量比計算，需求的重整反應的氫產(chǎn)量為639 L/min。熱量計算：甲醇重整制氫反應方程式為：

CH₃OH+H₂O = CO₂+3H₂

ΔH = 49 kJ·mol^(-1)

根據物料平衡計算，1 mL/min 甲醇溶液重整反應所需的熱量為15 W，則36 kW 重整器發(fā)生重整反應的吸熱量為：

Q吸=15×V甲醇=15×639 = 9 585 W。

1 mL/min 甲醇溶液氣化所需的熱量為25 W，則36 kW 重整器甲醇氣化的吸熱量為：

Q氣化= 25×V甲醇= 25×639 = 15 975 W

3   車(chē)用高溫甲醇燃料電池的挑戰

3.1 車(chē)用燃料電池的工作特點(diǎn)

汽車(chē)行駛過(guò)程中，狀態(tài)在不斷變化，如上下坡、加減速等，因此需要發(fā)動(dòng)機輸出不同的功率。如果一輛燃料電池汽車(chē)通過(guò)燃料電池發(fā)電直接驅動(dòng)電機，就需要燃料電池不斷變化輸出功率。然而，燃料電池并不適合變載。從燃料電池的電堆角度來(lái)看，電堆的主歧管流道、分配流道、反應區微流道等等，都是基于某幾個(gè)特定工況范圍設計的。當下的電堆功率設計趨勢是越來(lái)越大，為了兼顧功率密度的需求，要采用高壓條件來(lái)實(shí)現。因此，通氣條件在全工況下適應非常困難。在負載過(guò)大或過(guò)小時(shí)，電堆都只能短時(shí)間工作。從在線(xiàn)重整制氫角度來(lái)看，重整反應制氫再到電堆需要一定的時(shí)間，甲醇重整器的響應跟不上動(dòng)力變化的需求。同時(shí)燃料電池的輔助附件也有一定的最佳工作范圍，如空壓機在一定的輸出范圍內效率較高，且運行穩定。所以現階段高溫燃料電池需要和二次電池進(jìn)行混動(dòng)。燃料電池的混合是指結合兩種甚至更多種的能源形式，燃料電池只是其中一種特殊的混合能源系統，關(guān)聯(lián)到車(chē)輛。燃料電池的車(chē)用混動(dòng)系統包含發(fā)電系統、儲能系統、峰值輸出功率和持續輸出功率（如圖4）。通常情況下，峰值輸出是持續輸出的3 倍。

圖4 燃料電池的車(chē)用混動(dòng)系統

3.2 車(chē)用高溫甲醇燃料電池系統的工作流程

高溫甲醇燃料電池系統控制的主要流程包括：冷啟動(dòng)流程、保溫流程、輸出流程、關(guān)機流程和故障處理流程等。輸出流程是將氫燃料電池和二次電池組結合為輸出動(dòng)力的電能來(lái)源混合輸出。燃料電池的輸出功率需匹配二次電池的剩余電量和整車(chē)功率需求；在整車(chē)功率需求相同的情況下，燃料電池的輸出功率隨二次電池的剩余電量增加而減少?？刂七^(guò)程要讓燃料電池的工作狀態(tài)盡量穩定，整車(chē)動(dòng)力性需能滿(mǎn)足實(shí)際工況要求。將整車(chē)功率需求劃分成A~D 的4 個(gè)功率段，以36 kW 高溫甲醇燃料電池的控制方法為例，下面將二次電池簡(jiǎn)稱(chēng)為SOC，高溫甲醇燃料電池輸出功率簡(jiǎn)稱(chēng)為HTMFC_Power，具體如下。

1）整車(chē)功率需求<6 kW

●   SOC ≤ 30% 時(shí)，HTMFC_POWER=36 kW；

●   30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER 緩慢降至20 kW；

●   60% ＜ SOC ≤ 75%，HTMFC_POWER 緩慢降至10 kW；

●   75%＜SOC≤ 90%，HTMFC_POWER停止工作；

●   SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 止工作。

2）6kW ≤整車(chē)功率需求大于<18 kW

●   SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER 為36 kW；

●   30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER 緩慢降至20 kW；

●   75% ≥ SOC ＞ 60%，HTMFC_POWER= 整車(chē)功率需求；

●   90% ≥ SOC ＞ 75%，HTMFC_POWER= 整車(chē)功率需求；

●   SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

3）18 kW ≤整車(chē)功率需求<36 kW

●   SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER=36 kW；

●   30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER=36 kW；

●   60% ＜ SOC ≤ 75%，HTMFC_POWER= 整車(chē)功率需求；

●   75% ＜ SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER= 整車(chē)功率需求；

●   SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

4）36 kW ≤整車(chē)功率需求

●   SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER=36 kW；

●   SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

功率需求變化過(guò)程中，高溫甲醇燃料電池輸出必須要有一定的穩定控制，防止高溫甲醇燃料電池輸出功率頻繁波動(dòng)。

3.3 高溫甲醇燃料電池控制系統的開(kāi)發(fā)

由于高溫甲醇燃料電池的化學(xué)反應較為復雜，高效的軟件控制系統顯得尤為重要。為了保證電池系統的控制質(zhì)量，軟件產(chǎn)品必須有一套嚴格的開(kāi)發(fā)程序，激烈的市場(chǎng)競爭也需要縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。目前汽車(chē)電子普遍采用的開(kāi)發(fā)流程是嵌入式系統開(kāi)發(fā)流程，如圖5。此開(kāi)發(fā)流程存在不足，直到臺架調試，控制器才與被控對象結合，而此時(shí)系統的設計錯誤可能難以追溯，排除困難。

圖5 傳統車(chē)用嵌入式系統的開(kāi)發(fā)流程

因此，我們需要開(kāi)發(fā)過(guò)程中的軟件設計、測試等開(kāi)發(fā)工作盡量同步，如圖6。在成熟的控制器開(kāi)發(fā)工具包上進(jìn)行改進(jìn)將有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。市場(chǎng)中部分軟件還有自動(dòng)化代碼生成技術(shù)，可以完成硬件驅動(dòng)和模型算法的集成，幫助開(kāi)發(fā)人員從繁瑣的硬件開(kāi)發(fā)、驅動(dòng)開(kāi)發(fā)和軟件集成工作中解脫出來(lái)。無(wú)需關(guān)注底層實(shí)現細節，從而專(zhuān)注于應用策略及控制算法開(kāi)發(fā)，并快速驗證算法的高效性和正確性，縮短開(kāi)發(fā)周期。

圖6 軟件設計、測試等開(kāi)發(fā)工作盡量同步

3.4 高溫甲醇燃料電池的車(chē)用機遇

依據現有市場(chǎng)調查結果，與傳統內燃機車(chē)型相比，考慮加氫站的問(wèn)題，PEM 燃料電池車(chē)的新能源車(chē)型的實(shí)際使用環(huán)境更趨于城市道路及近郊的中短途載客或輕型載貨運輸，其行駛路線(xiàn)、?？康牡攸c(diǎn)較為固定。燃料電池車(chē)的持續最髙車(chē)速一般在（45~75）km/h，瞬時(shí)最髙車(chē)速一般不超過(guò)100 km/h，且使用燃料電池車(chē)的主要顧客群大多集中在政府機構及特定企業(yè)群體中。因此，客戶(hù)對燃料電池動(dòng)力系統的需求與純電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似，主要體現在氫氣的能耗、動(dòng)力響應性、續航能力、燃料電池的可靠性、后期維護成本等這幾個(gè)主要方面。眾所周知，甲醇是制氫的主要原料之一，高溫甲醇燃料電池汽車(chē)就是將制氫的環(huán)節從工廠(chǎng)轉移到了車(chē)輛上。在車(chē)里自動(dòng)把甲醇轉化成氫氣，再用氫去燃料電池里發(fā)電，優(yōu)勢有如下3 點(diǎn)。

1）規避了普通氫燃料電池最不容易解決的問(wèn)題——氫氣網(wǎng)絡(luò )的建設。由于氫的特性，如何安全儲存、運輸以及把氫加到車(chē)里都是不易突破的技術(shù)難點(diǎn)，尤其是低成本的安全儲存和運輸?，F階段建設一座加氫站至少需1 000 萬(wàn)元，而一個(gè)中等加油站只需200 萬(wàn)元。而且液態(tài)甲醇的加注方式能很好兼容現有的加油站系統。改裝加油槍的成本也僅需10 萬(wàn)元，因此，通過(guò)少量的投入即可對現有加油站改造，實(shí)現廣泛的推廣。

2）我國和歐洲都富含大量的甲醇資源，有利于加強能源安全?，F階段國內化工領(lǐng)域甲醇產(chǎn)量過(guò)剩，而且甲醇屬于可再生能源，以甲醇為能源動(dòng)力形成替代傳統燃料的產(chǎn)業(yè)升級。從制備、存儲、運輸、加注到工業(yè)、生活用電等多種場(chǎng)景的應用所產(chǎn)生的產(chǎn)業(yè)結構閉環(huán)，已經(jīng)形成了完整的甲醇生態(tài)圈?，F在歐洲，如德國、英國、丹麥等國家都在大力研究這個(gè)技術(shù)路線(xiàn)。

3）里程補充速度。未來(lái)二次電池技術(shù)肯定會(huì )突破，電池能量密度的提升是必然發(fā)展趨勢，續航里程將逐步解決。但是充電是化學(xué)變化，加油或甲醇是物理變化。電動(dòng)車(chē)要想實(shí)現加油或甲醇級別的里程補充速度，短期看幾乎沒(méi)有可能，目前只能采用換電技術(shù)作為過(guò)渡。

3.5 純電汽車(chē)移動(dòng)充電站的機遇

隨著(zhù)未來(lái)純電動(dòng)車(chē)的快速發(fā)展，其充電短板在需求端必然會(huì )變得更加突出，現有的一種解決思路是采用移動(dòng)式充電設備，如特斯拉所做的移動(dòng)式電站，根據介紹，其半掛車(chē)上所搭載的儲能裝置為特斯拉商用儲能電池Megapack。官方表示，其單次存儲容量可以達到3 MW·h，因此理論上可以為30 輛配備100 kW·h 容量電池的ModelS/X 從完全沒(méi)電充到滿(mǎn)電（圖7）。

圖7 特斯拉的移動(dòng)式電站

如果用高溫甲醇燃料電池做移動(dòng)式電站，首先，從技術(shù)難度來(lái)看，與直接作為車(chē)用動(dòng)力電源相比，移動(dòng)式充電站容易實(shí)現。其次，高溫甲醇燃料電池在體積、重量、便捷性等方面完全超越以鋰電儲能的移動(dòng)式電站。而且，能量的傳遞效率更高。最后，充電的經(jīng)濟性也有優(yōu)勢（見(jiàn)表1）。

對比PEMFC 的移動(dòng)式充電站，高溫甲醇燃料電池還在氫氣儲運方面有巨大的優(yōu)勢。

3.6 高溫甲醇燃料電池的車(chē)用挑戰

目前，和國外典型產(chǎn)品的性能對比，我國氫空燃料電池商用車(chē)在整車(chē)總布置、動(dòng)力性、經(jīng)濟性、續駛里程等方面差距不大，混合動(dòng)力系統集成和控制水平無(wú)明顯差距，但氫空燃料發(fā)動(dòng)機的功率明顯低于國外水平，根本原因在于裝車(chē)的氫空燃料電池發(fā)動(dòng)機的體積比功率偏低，系統集成化有待提高。然而，高溫甲醇燃料電池的整車(chē)應用正處于起步階段，這個(gè)問(wèn)題更為突出。高溫工作的特點(diǎn)決定了高溫是甲醇燃料電池的一把雙刃劍。一方面是優(yōu)勢，根據阿倫尼烏斯（Arrhenius equation）經(jīng)驗公式：

k = Ae^-Ea/RT

（k 為速率常數，R 為摩爾氣體常量，T 為熱力學(xué)溫度，Ea 為活化能，A 為頻率因子。）

溫度升高，反應的活化分子數明顯增加，從而反應速率加快。實(shí)際應用中溫度每提高10 ℃，電極反應速率通常增加2~4 倍，電池性能隨之提升。而且在150 ℃以上，CO 的毒化又可以大幅降低，同時(shí)PEMFC 中水管理問(wèn)題也得以解決。但是， 另一方面的挑戰在于催化劑和高性能MEA 的設計開(kāi)發(fā)。高溫甲醇燃料電池工作溫度在160~180 ℃。氫空燃料電池的質(zhì)子交換膜（如NAFION膜工作溫度通常在70~90 ℃）不能在較高的溫度下工作。高溫非水質(zhì)子交換膜體系的技術(shù)路線(xiàn)有無(wú)機強酸( 磷酸、硫酸) 配合聚苯并咪唑膜或聚酰亞胺薄膜，玻璃化后的工作溫度可滿(mǎn)足使用要求，又兼具較好的質(zhì)子傳導性，但這個(gè)工藝過(guò)程需要不斷完善。

4   結束語(yǔ)

當下燃料電池行業(yè)的發(fā)展迅猛，應用于乘用車(chē)的氫空燃料電池電堆功率額定功率已經(jīng)達到70 kW，電堆壽命超過(guò)6 000 h，系統額定功率超過(guò)60 kW，裸堆成本降低至2 000 元/kW 以?xún)龋ò倥_訂單）。應用于商用車(chē)的氫空燃料電池電堆額定功率達到130 kW，電堆壽命超過(guò)10 000 h，商用車(chē)的系統額定功率達到100 kW。預計未來(lái)幾年，燃料電池行業(yè)會(huì )迎來(lái)較大的發(fā)展，由于石墨雙極板較好的壽命和價(jià)格優(yōu)勢，將會(huì )在商用車(chē)領(lǐng)域逐步成為主流。燃料電池發(fā)動(dòng)機的系統集成化將提高，并在動(dòng)力系統層面與整車(chē)進(jìn)行同步設計，通過(guò)整車(chē)的智能控制、可靠性、安全性以及耐久性等方面形成的自主核心技術(shù)，支持全新結構燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，尤其是中高級燃料電池電動(dòng)汽車(chē)安全結構整車(chē)平臺開(kāi)發(fā)，并形成小批量生產(chǎn)能力。燃料電池市場(chǎng)細分的高溫甲醇燃料電池的發(fā)展極具潛力。根據其工作特點(diǎn)和整車(chē)用需求，現階段的發(fā)展方向可能是中小功率的標準模組化系統。應用方式或許是通過(guò)電池模組之間的靈活組合，配合二次電池的混動(dòng)方式來(lái)實(shí)現。

參考文獻：

[1] 衣寶廉.燃料電池——原理、技術(shù)、應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2]李躍生．質(zhì)量功能展開(kāi)技術(shù)[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2011.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）