沈建跃：浅谈甲醇燃料电池汽车国际发展史

2019年3月14日，工信部会同发改委、科技部、公安部、生态环境部、交通部、卫生健康委、市场监督总局，以工信部联节【2019】61号文件，正式下发了《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》。《指导意见》全面揭示和启动了我国甲醇汽车的推广应用，由此带动了我国工业领域动力燃烧和热力燃烧应用甲醇燃料的全面推进。3月19日，《指导意见》正式在工信部网站上公开发布，引起了行业和产业极大的关注，特别是《指导意见》中第五条指出的“鼓励和支持企业研发甲醇混合动力汽车、甲醇增程式电动汽车、甲醇燃料电池汽车产品。加快甲醇汽车科研成果转化及产业化应用”。可以说既是给新一代甲醇汽车的发展指出了方向，也是给甲醇汽车制造企业，乃至汽车行业提出了新的挑战。相信甲醇燃料动力燃烧技术的应用，甲醇燃料电池技术的应用，一定会有一个较大和较快的发展。

《指导意见》下发后，由于我的工作性质原因，最近频率较高地接触到产业界对甲醇燃料电池汽车的一些疑虑和问题，特别是甲醇制氢技术、对燃料电池的要求、搭载整车应用等，还有一些已经在工信部、发改委和科技部组织甲醇汽车试点过程中已经解决的技术问题和回答过的认识问题。对此，我请上海博氢新能源科技有限公司董事长沈建跃博士撰写此文，从甲醇燃料电池汽车国际发展历程和中国发展现状两个视角，简要介绍一下甲醇燃料电池汽车的基础技术，与燃料电池汽车的关联性。

沈建跃博士于上世纪八十年代开始从事燃料电池技术和产品的研发，并撰写《大变革：甲醇能源时代》一书。该书由《后油气时代甲醇经济》作者&1994年诺贝尔化学奖得主GeorgeA.Olah作序。希望沈博士的文章能够解答关注甲醇燃料电池汽车发展的朋友们心中的疑虑，也期待着汽车产业决策者们能开始对甲醇燃料电池汽车有一个全新的认识。

——工信部甲醇汽车试点工作专家组秘书长魏安力

十七世纪六十年代的英国科学家波义耳首先在某些植物枝干干馏后的液体产物中发现甲醇，所以甲醇又称“木醇”，数百年来，人们通过“蒸馏木材”获得甲醇这种可以燃烧的液体，可以算是对生物质“清洁利用”的鼻祖。

甲醇作为一种燃料，始于第二次世界大战后期，当时德国、日本、意大利等国家矿产资源严重匮乏，为了不受制于人，甲醇被作为汽油的替代品使用，在那时发挥了巨大的作用，当时的德国开发出的“超级油料”就是甲醇、汽油和添加剂制成的成品燃料，由于当时的技术无法规避甲醇对金属和橡胶件的腐蚀问题，德国将其用来充当火箭燃料。

甲醇再一次作为燃料进入人们的视野是在上世纪七十年代，被视为替代燃料以应对原油价格的冲击。当时作为汽车行业的先锋，德国奔驰公司基于S级轿车平台开发出一款甲醇内燃机轿车。

在经历过两代Necar燃料电池车的研发后，1997年奔驰公司推出了第一台以甲醇作为燃料的FCV，Necar3，它通过甲醇水蒸气重整技术将甲醇重整，得到氢气并将氢气导入电堆发电，此过程中氢气即产即用。它配有38升的甲醇箱可以支持这辆A级车连续行驶300公里以上。

使用甲醇作为燃料的Necar3燃料电池汽车

这款车的后座位置被用来放置甲醇重整装置，电堆被安置在底盘处。如下图：

使用甲醇作为燃料的Necar3燃料电池汽车透视图

最有跨时代意义的是2000年推出的Necar5，这款车在Necar3的基础上，在性能方面有着极大提升，尤其体现在“减体积”方面。电堆依旧被布置在底盘处，重整器、CO去除装置均被扁平化集成在车底，功率达到75kW，续驶在400公里以上。

Necar5内部构造，具备高度的集成化的重整制氢系统

2002年5月20日至6月4日，3辆Necar5从旧金山出发，横跨美国大陆抵达华盛顿，全程5000多公里，海拔从海平面到2600多米，这批车平均每行驶500多公里加注一次甲醇，历时14天，完成了测试。当时项目负责人FerdinardPanik声称到2010年该款车型会量产，之后租给特定人群。

除了奔驰（北美）公司，1996-2004年间，本田公司也在燃料电池领域就甲醇重整制氢做了相应的研究，并推出了相关车型。

日本本田公司的甲醇重整氢燃料电池车

2017年4月，德国汉诺威展会上，丹麦SerEnergy公司推出一款基于纯电版的日产车型eV200，是在原纯电动车上用SerEnergy公司的5KW甲醇重整制氢燃料电池模块做增程改装，续驶里程可达800公里。

丹麦SerEnergy公司改装的尼桑eV200，续驶800公里

该公司的甲醇燃料电池车的运行，促使丹麦建设了第一个甲醇加注站，这也是欧洲第一个甲醇加注站。

甲醇在欧美和日本均属于化工产品，日常生活中人们和甲醇的关联度不高，对甲醇的接触和了解程度远不如中国。

在中国，甲醇作为“燃料”，已经经历了多年的发动机研发和实车推广测试工作，甲醇供应链完备。

从2010年起，甲醇重整制氢的技术开始逐步得到行业的关注，并从2014年开始逐步推出产品。

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。

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。

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，满足诸多特种供电需求。

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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驶里程达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。

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。

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（DirectMethanolFuelCell）。

这类电池的阳极反应是：

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

阴极反应是：

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

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。

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。