2019年3月14日，工信部會同發(fā)改委、科技部、公安部、生態(tài)環(huán)境部、交通部、衛(wèi)生健康委、市場監(jiān)督總局，以工信部聯(lián)節(jié)【2019】61號文件，正式下發(fā)了《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》?！吨笇?dǎo)意見》全面揭示和啟動了我國甲醇汽車的推廣應(yīng)用，由此帶動了我國工業(yè)領(lǐng)域動力燃燒和熱力燃燒應(yīng)用甲醇燃料的全面推進(jìn)。3月19日，《指導(dǎo)意見》正式在工信部網(wǎng)站上公開發(fā)布，引起了行業(yè)和產(chǎn)業(yè)極大的關(guān)注，特別是《指導(dǎo)意見》中第五條指出的“鼓勵和支持企業(yè)研發(fā)甲醇混合動力汽車、甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產(chǎn)品。加快甲醇汽車科研成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”。可以說既是給新一代甲醇汽車的發(fā)展指出了方向，也是給甲醇汽車制造企業(yè)，乃至汽車行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。相信甲醇燃料動力燃燒技術(shù)的應(yīng)用，甲醇燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，一定會有一個(gè)較大和較快的發(fā)展。

《指導(dǎo)意見》下發(fā)后，由于我的工作性質(zhì)原因，最近頻率較高地接觸到產(chǎn)業(yè)界對甲醇燃料電池汽車的一些疑慮和問題，特別是甲醇制氫技術(shù)、對燃料電池的要求、搭載整車應(yīng)用等，還有一些已經(jīng)在工信部、發(fā)改委和科技部組織甲醇汽車試點(diǎn)過程中已經(jīng)解決的技術(shù)問題和回答過的認(rèn)識問題。對此，我請上海博氫新能源科技有限公司董事長沈建躍博士撰寫此文，從甲醇燃料電池汽車國際發(fā)展歷程和中國發(fā)展現(xiàn)狀兩個(gè)視角，簡要介紹一下甲醇燃料電池汽車的基礎(chǔ)技術(shù)，與燃料電池汽車的關(guān)聯(lián)性。

沈建躍博士于上世紀(jì)八十年代開始從事燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，并撰寫《大變革：甲醇能源時(shí)代》一書。該書由《后油氣時(shí)代甲醇經(jīng)濟(jì)》作者&1994年諾貝爾化學(xué)獎得主GeorgeA.Olah作序。希望沈博士的文章能夠解答關(guān)注甲醇燃料電池汽車發(fā)展的朋友們心中的疑慮，也期待著汽車產(chǎn)業(yè)決策者們能開始對甲醇燃料電池汽車有一個(gè)全新的認(rèn)識。

——工信部甲醇汽車試點(diǎn)工作專家組秘書長魏安力

十七世紀(jì)六十年代的英國科學(xué)家波義耳首先在某些植物枝干干餾后的液體產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)甲醇，所以甲醇又稱“木醇”，數(shù)百年來，人們通過“蒸餾木材”獲得甲醇這種可以燃燒的液體，可以算是對生物質(zhì)“清潔利用”的鼻祖。

甲醇作為一種燃料，始于第二次世界大戰(zhàn)后期，當(dāng)時(shí)德國、日本、意大利等國家礦產(chǎn)資源嚴(yán)重匱乏，為了不受制于人，甲醇被作為汽油的替代品使用，在那時(shí)發(fā)揮了巨大的作用，當(dāng)時(shí)的德國開發(fā)出的“超級油料”就是甲醇、汽油和添加劑制成的成品燃料，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)無法規(guī)避甲醇對金屬和橡膠件的腐蝕問題，德國將其用來充當(dāng)火箭燃料。

甲醇再一次作為燃料進(jìn)入人們的視野是在上世紀(jì)七十年代，被視為替代燃料以應(yīng)對原油價(jià)格的沖擊。當(dāng)時(shí)作為汽車行業(yè)的先鋒，德國奔馳公司基于S級轎車平臺開發(fā)出一款甲醇內(nèi)燃機(jī)轎車。

在經(jīng)歷過兩代Necar燃料電池車的研發(fā)后，1997年奔馳公司推出了第一臺以甲醇作為燃料的FCV，Necar3，它通過甲醇水蒸氣重整技術(shù)將甲醇重整，得到氫氣并將氫氣導(dǎo)入電堆發(fā)電，此過程中氫氣即產(chǎn)即用。它配有38升的甲醇箱可以支持這輛A級車連續(xù)行駛300公里以上。

使用甲醇作為燃料的Necar3燃料電池汽車

這款車的后座位置被用來放置甲醇重整裝置，電堆被安置在底盤處。如下圖：

使用甲醇作為燃料的Necar3燃料電池汽車透視圖

最有跨時(shí)代意義的是2000年推出的Necar5，這款車在Necar3的基礎(chǔ)上，在性能方面有著極大提升，尤其體現(xiàn)在“減體積”方面。電堆依舊被布置在底盤處，重整器、CO去除裝置均被扁平化集成在車底，功率達(dá)到75kW，續(xù)駛在400公里以上。

Necar5內(nèi)部構(gòu)造，具備高度的集成化的重整制氫系統(tǒng)

2002年5月20日至6月4日，3輛Necar5從舊金山出發(fā)，橫跨美國大陸抵達(dá)華盛頓，全程5000多公里，海拔從海平面到2600多米，這批車平均每行駛500多公里加注一次甲醇，歷時(shí)14天，完成了測試。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人FerdinardPanik聲稱到2010年該款車型會量產(chǎn)，之后租給特定人群。

除了奔馳（北美）公司，1996-2004年間，本田公司也在燃料電池領(lǐng)域就甲醇重整制氫做了相應(yīng)的研究，并推出了相關(guān)車型。

日本本田公司的甲醇重整氫燃料電池車

2017年4月，德國漢諾威展會上，丹麥SerEnergy公司推出一款基于純電版的日產(chǎn)車型eV200，是在原純電動車上用SerEnergy公司的5KW甲醇重整制氫燃料電池模塊做增程改裝，續(xù)駛里程可達(dá)800公里。

丹麥SerEnergy公司改裝的尼桑eV200，續(xù)駛800公里

該公司的甲醇燃料電池車的運(yùn)行，促使丹麥建設(shè)了第一個(gè)甲醇加注站，這也是歐洲第一個(gè)甲醇加注站。

甲醇在歐美和日本均屬于化工產(chǎn)品，日常生活中人們和甲醇的關(guān)聯(lián)度不高，對甲醇的接觸和了解程度遠(yuǎn)不如中國。

在中國，甲醇作為“燃料”，已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)動機(jī)研發(fā)和實(shí)車推廣測試工作，甲醇供應(yīng)鏈完備。

從2010年起，甲醇重整制氫的技術(shù)開始逐步得到行業(yè)的關(guān)注，并從2014年開始逐步推出產(chǎn)品。

甲醇重整制氫在海外經(jīng)歷了長達(dá)10年（2006-2016年）的低潮期，僅僅在備用電源領(lǐng)域有所應(yīng)用。而國內(nèi)從2010年起，開始有企業(yè)對此關(guān)注，做相應(yīng)的研究，但尚未嘗試將甲醇重整燃料電池系統(tǒng)集成到汽車上應(yīng)用。

2011年，世界大學(xué)生運(yùn)動會在深圳舉行。當(dāng)年，市政府決定推廣2011輛新能源車，其中1000輛采用了磷酸鐵鋰電池。也正是這批電池催生了甲醇燃料電池在汽車上的應(yīng)用：因?yàn)槟且慌?a href="/keywords/lidianchi/" class = "seo-anchor" data-anchorid=120 target="_blank">鋰電池電動車?yán)锍趟p太快，迫切需要解決方案，有人開始考慮用燃料電池給鋰電池隨車充電——增程式。

2015年，Mirai橫空出世，7萬美元的售價(jià)，113kW的電堆，一下子打開了中國氫燃料電池工作者的思路：燃料電池可以做到很便宜。性能上不需要一口氣達(dá)到100kW以上，可以從30kW開始。

在這個(gè)技術(shù)路線的指導(dǎo)下，基于甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)開始進(jìn)入我國汽車制造業(yè)的視野，正式邁入中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舞臺，并由此開始在中國得到深入研究。

甲醇重整制氫+氫燃料電池系統(tǒng)作為“發(fā)電機(jī)”系統(tǒng)，主要有三種技術(shù)路線：

A.第一類技術(shù)是甲醇重整+高溫燃料電池，這類技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展最快的技術(shù)路徑，已在電動車及其他特殊領(lǐng)域得到了眾多成功應(yīng)用。

高溫燃料電池是指工作溫度在160℃以上的質(zhì)子交換膜技術(shù)。相比于85℃左右工作溫度的常溫/低溫系統(tǒng)，高溫燃料電池的160℃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碰到的問題。從硬件配置上來講，可以規(guī)避氫氣循環(huán)泵、增濕器等，對于空壓機(jī)的要求也會低很多，可以大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

典型的甲醇重整高溫燃料電池系統(tǒng)圖

這類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)，采用了PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)，通過使用PBI（聚苯并咪唑）膜和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程是一個(gè)吸熱的過程，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，這樣重整器當(dāng)中就會產(chǎn)生一定量的CO2、水蒸氣和O2一起進(jìn)入的保護(hù)氣體N2。自放熱的重整器的優(yōu)勢在于體積可以做得很小，但是缺點(diǎn)也很明顯，會引入空氣，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“來提供。高溫電堆的廢熱溫度在160℃，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)的整體效率。通過使用集成式的散熱器，可以大大縮小體積，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)合開發(fā)了一款基于甲醇重整制氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的T7型電動物流車，并于2018年獲得工信部公告，取得綠色運(yùn)營牌照。

甲醇重整制氫燃料電池電動物流車

除電動物流車外，廣獲關(guān)注的還包括軍民融合項(xiàng)目中的“靜默式移動發(fā)電車”。該車是由傳統(tǒng)依維柯柴油車改造而成，裝有30kW的甲醇重整制氫燃料電池及近50kWh高倍率電池，還攜帶有可以發(fā)出1000kWh電力的甲醇水，能靜默發(fā)電，滿足諸多特種供電需求。

專家講堂||沈建躍：淺談甲醇燃料電池汽車國際發(fā)展史|中國汽車報(bào)專家講堂||沈建躍：淺談甲醇燃料電池汽車國際發(fā)展史|中國汽車報(bào)

甲醇重整制氫燃料電池靜默移動發(fā)電車

這一技術(shù)路線同樣獲得造車新勢力愛馳汽車公司的親睞，2018年北京車展時(shí)，愛馳公司展出一款續(xù)駛里程達(dá)1200公里的電動超跑，該車搭載一臺5kW的甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，還配有一個(gè)甲醇箱，采用“電”-“電”混合的模式，來為電池提供電力補(bǔ)充。

搭載甲醇重整燃料電池系統(tǒng)的電動跑車

B.第二類技術(shù)是甲醇重整制氫+氫氣提純+低溫燃料電池，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，氫氣再進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)電。

甲醇重整制氫提純配低溫堆乘用車應(yīng)用

C．第三類技術(shù)是甲醇重整+除CO裝置+低溫燃料電池。

這一技術(shù)的特點(diǎn)是，通過催化劑，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，從而以混合氣的形式進(jìn)入到低溫堆的陽極，氫氣參與反應(yīng)發(fā)電，其他氣體從陽極排出。整個(gè)系統(tǒng)的排放僅有水汽和CO2。

目前該技術(shù)，除歐洲部分研究所外，國內(nèi)的部分企業(yè)也在進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

除以上三種甲醇重整制氫燃料電池系統(tǒng)外，還有一種就是直接甲醇燃料電池DMFC（DirectMethanolFuelCell）。

這類電池的陽極反應(yīng)是：

CH4O+H2O=CO2+6H++6e-

陰極反應(yīng)是：

6H++6e-+3/2O2=3H2O

電堆的結(jié)構(gòu)也是PEM的結(jié)構(gòu)，雙極板加質(zhì)子膜是主體部分。

2018年10月在江蘇如皋世界氫能大會上，另一家造車新勢力公司W(wǎng)eltmeister威馬公司推出一款基于直接甲醇燃料電池的汽車。

該車以直接甲醇燃料電池系統(tǒng)為“增程器”，通過甲醇發(fā)電來實(shí)現(xiàn)和電池的匹配，實(shí)現(xiàn)增程，開拓了一條新的路徑。

相同的理念，在基于甲醇M100的商用車或轎車上，DMFC在能夠批量化降低成本的前提下，也會給APU帶來完美的解決方案。

搭載直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的電動車

總而言之，從國內(nèi)外甲醇?xì)淙剂想姵氐陌l(fā)展歷史來看，技術(shù)路徑已經(jīng)打通，國外汽車公司已有技術(shù)積累。中國產(chǎn)業(yè)對此類技術(shù)的掌握和持有相關(guān)產(chǎn)品，目前還處于工程化建設(shè)階段，除需要解決量產(chǎn)、降低成本等問題外，特別需要重視的是提高產(chǎn)品可靠性和一致性等問題。

可以預(yù)見，假以時(shí)日，甲醇?xì)淙剂想姵氐陌l(fā)展會逐步發(fā)力，依托中國的甲醇供應(yīng)體系，和電動汽車緊密結(jié)合，走出一條“分布式”可再生能源的新路，發(fā)展成為具有低碳清潔能源特色的中國汽車動力體系。