2019年3月14日，工信部會(huì)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(chǎng)監(jiān)督總局，以工信部聯(lián)節(jié)【2019】61號(hào)文件，正式下發(fā)了《關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》。《指導(dǎo)意見(jiàn)》全面揭示和啟動(dòng)了我國(guó)甲醇汽車(chē)的推廣應(yīng)用，由此帶動(dòng)了我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域動(dòng)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(jiàn)》正式在工信部網(wǎng)站上公開(kāi)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(jiàn)》中第五條指出的“鼓勵(lì)和支持企業(yè)研發(fā)甲醇混合動(dòng)力汽車(chē)、甲醇增程式電動(dòng)汽車(chē)、甲醇燃料電池汽車(chē)產(chǎn)品。加快甲醇汽車(chē)科研成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”。可以說(shuō)既是給新一代甲醇汽車(chē)的發(fā)展指出了方向，也是給甲醇汽車(chē)制造企業(yè)，乃至汽車(chē)行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。相信甲醇燃料動(dòng)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(huì)有一個(gè)較大和較快的發(fā)展。

《指導(dǎo)意見(jiàn)》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(duì)甲醇燃料電池汽車(chē)的一些疑慮和問(wèn)題，特別是甲醇制氫技術(shù)、對(duì)燃料電池的要求、搭載整車(chē)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(chē)試點(diǎn)過(guò)程中已經(jīng)解決的技術(shù)問(wèn)題和回答過(guò)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。對(duì)此，我請(qǐng)上海博氫新能源科技有限公司董事長(zhǎng)沈建躍博士撰寫(xiě)此文，從甲醇燃料電池汽車(chē)國(guó)際發(fā)展歷程和中國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀兩個(gè)視角，簡(jiǎn)要介紹一下甲醇燃料電池汽車(chē)的基礎(chǔ)技術(shù)，與燃料電池汽車(chē)的關(guān)聯(lián)性。

沈建躍博士于上世紀(jì)八十年代開(kāi)始從事燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，并撰寫(xiě)《大變革：甲醇能源時(shí)代》一書(shū)。該書(shū)由《后油氣時(shí)代甲醇經(jīng)濟(jì)》作者&1994年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(chē)發(fā)展的朋友們心中的疑慮，也期待著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)決策者們能開(kāi)始對(duì)甲醇燃料電池汽車(chē)有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。

——工信部甲醇汽車(chē)試點(diǎn)工作專家組秘書(shū)長(zhǎng)魏安力

十七世紀(jì)六十年代的英國(guó)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(lái)，人們通過(guò)“蒸餾木材”獲得甲醇這種可以燃燒的液體，可以算是對(duì)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(guó)、日本、意大利等國(guó)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(guó)開(kāi)發(fā)出的“超級(jí)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(wú)法規(guī)避甲醇對(duì)金屬和橡膠件的腐蝕問(wèn)題，德國(guó)將其用來(lái)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(duì)原油價(jià)格的沖擊。當(dāng)時(shí)作為汽車(chē)行業(yè)的先鋒，德國(guó)奔馳公司基于S級(jí)轎車(chē)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出一款甲醇內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)。

在經(jīng)歷過(guò)兩代Necar燃料電池車(chē)的研發(fā)后，1997年奔馳公司推出了第一臺(tái)以甲醇作為燃料的FCV，Necar3，它通過(guò)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(guò)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(jí)車(chē)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(chē)

這款車(chē)的后座位置被用來(lái)放置甲醇重整裝置，電堆被安置在底盤(pán)處。如下圖：

使用甲醇作為燃料的Necar3燃料電池汽車(chē)透視圖

最有跨時(shí)代意義的是2000年推出的Necar5，這款車(chē)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(pán)處，重整器、CO去除裝置均被扁平化集成在車(chē)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(guó)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(chē)平均每行駛500多公里加注一次甲醇，歷時(shí)14天，完成了測(cè)試。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人FerdinardPanik聲稱到2010年該款車(chē)型會(huì)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(chē)型。

日本本田公司的甲醇重整氫燃料電池車(chē)

2017年4月，德國(guó)漢諾威展會(huì)上，丹麥SerEnergy公司推出一款基于純電版的日產(chǎn)車(chē)型eV200，是在原純電動(dòng)車(chē)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(chē)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(duì)甲醇的接觸和了解程度遠(yuǎn)不如中國(guó)。

在中國(guó)，甲醇作為“燃料”，已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和實(shí)車(chē)推廣測(cè)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(kāi)始逐步得到行業(yè)的關(guān)注，并從2014年開(kāi)始逐步推出產(chǎn)品。

甲醇重整制氫在海外經(jīng)歷了長(zhǎng)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(guó)內(nèi)從2010年起，開(kāi)始有企業(yè)對(duì)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(chē)上應(yīng)用。

2011年，世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)在深圳舉行。當(dāng)年，市政府決定推廣2011輛新能源車(chē)，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(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，迫切需要解決方案，有人開(kāi)始考慮用燃料電池給鋰電池隨車(chē)充電——增程式。

2015年，Mirai橫空出世，7萬(wàn)美元的售價(jià)，113kW的電堆，一下子打開(kāi)了中國(guó)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(kāi)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(kāi)始進(jìn)入我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的視野，正式邁入中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舞臺(tái)，并由此開(kāi)始在中國(guó)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(dòng)車(chē)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(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)。

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(guò)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(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，這樣重整器當(dāng)中就會(huì)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(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(guò)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(kāi)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(dòng)物流車(chē)，并于2018年獲得工信部公告，取得綠色運(yùn)營(yíng)牌照。

甲醇重整制氫燃料電池電動(dòng)物流車(chē)

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“靜默式移動(dòng)發(fā)電車(chē)”。該車(chē)是由傳統(tǒng)依維柯柴油車(chē)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(chē)國(guó)際發(fā)展史|中國(guó)汽車(chē)報(bào)專家講堂||沈建躍：淺談甲醇燃料電池汽車(chē)國(guó)際發(fā)展史|中國(guó)汽車(chē)報(bào)

甲醇重整制氫燃料電池靜默移動(dòng)發(fā)電車(chē)

這一技術(shù)路線同樣獲得造車(chē)新勢(shì)力愛(ài)馳汽車(chē)公司的親睞，2018年北京車(chē)展時(shí)，愛(ài)馳公司展出一款續(xù)駛里程達(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)，還配有一個(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。

搭載甲醇重整燃料電池系統(tǒng)的電動(dòng)跑車(chē)

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(chē)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(guò)催化劑，對(duì)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(yáng)極，氫氣參與反應(yīng)發(fā)電，其他氣體從陽(yáng)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(guó)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(yáng)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(huì)上，另一家造車(chē)新勢(shì)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(chē)。

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

相同的理念，在基于甲醇M100的商用車(chē)或轎車(chē)上，DMFC在能夠批量化降低成本的前提下，也會(huì)給APU帶來(lái)完美的解決方案。

搭載直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)

總而言之，從國(guó)內(nèi)外甲醇?xì)淙剂想姵氐陌l(fā)展歷史來(lái)看，技術(shù)路徑已經(jīng)打通，國(guó)外汽車(chē)公司已有技術(shù)積累。中國(guó)產(chǎn)業(yè)對(duì)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(wèn)題外，特別需要重視的是提高產(chǎn)品可靠性和一致性等問(wèn)題。

可以預(yù)見(jiàn)，假以時(shí)日，甲醇?xì)淙剂想姵氐陌l(fā)展會(huì)逐步發(fā)力，依托中國(guó)的甲醇供應(yīng)體系，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)展成為具有低碳清潔能源特色的中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力體系。