高溫甲醇燃料電池的應用研究

引言

       燃料電池是一種通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應將化學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程使得電化學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(tǒng)的容量，可通過增加燃料罐體積或者數(shù)量獲得提升。燃料電池系統(tǒng)可以同時兼具高能量密度和高功率密度，這一特點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放式工作方式的本質區(qū)別。同時兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現(xiàn)代汽車對動力系統(tǒng)的最基本技術要求。

       從本質上看，二次電池是能量儲存裝置，通過可逆的電化學反應實現(xiàn)電能的儲存和釋放。而燃料電池作為電能的生產裝置，其工作方式跟內燃機比較類似。燃料電池的二次電池在工作方式上的本質不同，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5000 h。產業(yè)鏈也初步建設起來，但是要推進燃料電池行業(yè)的商業(yè)化，不單單要解決燃料電池的成本，同時還需要解決氫源成本等問題。中國雖然有大量的工業(yè)副產氫，電解氫技術也相對成熟。但是氫氣的輸送、分配及加氫等環(huán)節(jié)尚存在諸多技術難點，加氫站的關鍵設備還要進口，導致成本較高，限制了產業(yè)的快速發(fā)展。

       甲醇是國內最易實現(xiàn)的氫源載體之一，甲醇可以通過重整的方式在線制備氫氣，從而為燃料電池汽車提供氫源，不僅解決了運輸問題，并且在安全和經濟方面也有一定的優(yōu)勢。使用過程中沒有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(xiàn)階段有諸多優(yōu)點：對比傳統(tǒng)內燃機有排放優(yōu)勢，對比二次電池有續(xù)航優(yōu)勢，對比氫空燃料電池有燃料的儲運優(yōu)勢。當然高溫技術路線還存在一些挑戰(zhàn)。

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(tǒng)主要有3種技術路線：

       第1類技術是甲醇重整 + 除 CO 裝置 + 低溫電堆。技術特點是，通過催化劑，對甲醇重整產生的混合氣中的CO進行選擇性氧化，使之變?yōu)?/span>CO₂；再進行降溫處理后，以混合氣的形式進入到低溫堆的陽極，氫氣參與反應發(fā)電，其他氣體從陽極排出。整個系統(tǒng)的排放僅有水汽和CO₂。

       第2類技術是甲醇重整制氫 + 氫氣提純 + 低電堆，將獲得的氫氣（通常含有H₂、CO₂、CO及水蒸氣）進行提純，獲得99.99%純度的高純氫，氫氣降溫后再進入低溫電堆發(fā)電。

       第3類技術是甲醇重整 + 高溫電堆，這類技術是現(xiàn)階段發(fā)展最快的技術路徑，已在電動車及其他特殊領域得到了眾多成功應用。三種技術路線的主要區(qū)別在于系統(tǒng)中的電堆不同，導致對陽極氣體的需求差異。本文的后續(xù)內容以采用第3類技術路線的高溫甲醇燃料電池進行論述。

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)使用的燃料為甲醇水溶液，系統(tǒng)化學反應主要在燃燒室、重整反應室和電堆中進行。燃燒室的主要作用為：①啟動過程中為整個系統(tǒng)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(qū)主要進行燃燒反應[1]：

CH₃OH+1.5O₂ → CO₂+2H₂O

       將重整反應器與電堆集成，當啟動階段平穩(wěn)后，整個反應系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)后，系統(tǒng)將電堆中過量陽極氫氣作為燃燒燃料返回燃燒室。氫氣燃燒的反應為：

H₂+1/2O₂ → H₂O

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

CH₃OH+H₂O → CO₂+3H₂  ΔH ＝ 49.57 kJ/mol

CH₃OH → CO+2H₂  ΔH ＝ 90.73 kJ/mol

CH₃OH+1.5O₂ → CO₂+2H₂O  ΔH ＝ -675.91 kJ/mol

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

陽極 ( 負極 )：2H₂-4e=4H⁺

陰極 ( 正極 )：O₂+4e+4H⁺=2H₂O圖1 電堆放電反應原理

Fig. 1 Principle of stack discharge reaction

       電堆的工作過程中同時會產生大量的熱，燃料電池系統(tǒng)對電堆的產熱進行回收，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行回收，理論上可以使系統(tǒng)在額定工作輸出時效率到達 70% 以上。

1.2 高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的主要構成

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)工作流程圖。甲醇燃料與空氣供給重整反應器產出氫氣，空氣與氫氣作為電堆陰陽極的輸入，電堆放電經過DC/DC配合二次單池輸出電能，同時燃料電池系統(tǒng)運行過程中產生熱量，可被回收利用。

圖2 系統(tǒng)工作流程

Fig. 2 System workflow

1.3高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運行流程

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運行過程中，從功能的角度主要分為兩個部分，一是將液態(tài)的甲醇水溶液轉化為氫氣的過程。另一部分是將高溫電堆放電過程。兩者之間并非簡單的上下游關系，而是緊密相連，相輔相成的。根據(jù)主要的功能，系統(tǒng)運行過程如圖 3，甲醇水溶液儲存箱里的燃料經過閥門、液泵和計量傳感器之后進入換熱器進行氣化，氣化之后的甲醇蒸汽分為兩路，一路供給重整器啟動階段的燃燒使用。另一路供給重整反應產生氫氣，氫氣隨后進入電堆。空氣路也分為兩部分，分別供給燃燒和電堆。但在實際操作運行中，系統(tǒng)流程較為復雜。

圖3 高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運行流程

Fig. 3 Operation process of high-temperature methanol fuel cell system

2 甲醇重整制氫的設計特征

2.1 質量功能展開的概念

       在市場競爭日趨激烈的今天，產品的高質量意味著必須在產品性能、可靠性、安全性、適應性、經濟性和時間性等方面全面滿足顧客的需求。要達到這樣的高質量僅僅靠高水平的制造系統(tǒng)和精心的制作是無法實現(xiàn)的，必須從產品的設計和開發(fā)階段開始注入新的觀念和思維，為用戶著想，滿足用戶的各種需求。質量功能展開技術是用于新產品開發(fā)的質量保證的一種方法，可確保從開發(fā)、設計開始的全過程的質量。它把用戶的需求或聲音轉化為設計工程師的語言，通過產品規(guī)劃、零部件規(guī)劃、工藝規(guī)劃和質量控制轉換成可度量的產品。因此，新產品開發(fā)中QFD過程的有效規(guī)劃與管理是新產品開發(fā)要解決的關鍵問題。

       QFD的最大優(yōu)點之一是能在產品早期設計階段對產品設計做出有效的規(guī)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品和零部件的技術特征，以及配置到制造過程的各工序上和生產計劃中，使得設計和制造的產品能真正的滿足顧客需求。從而避免在產品研制后期出現(xiàn)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

       顧客需求是產品開發(fā)的最基本輸入信息，是企業(yè)進行產品開發(fā)的依據(jù)和源頭，也是企業(yè)正確制定產品開發(fā)戰(zhàn)略的基礎。摘選部分顧客需求如下：

● 系統(tǒng)功率

● 產品成本

● 系統(tǒng)啟動時間

● 系統(tǒng)體積比功率與質量比功率

● 系統(tǒng)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：-20 ℃

● 海拔高度≤ 2 000 m

● 環(huán)境相對濕度范圍：5%~95%

● 架壽命≥ 5000 h

● 平均無故障時間≥ 500 h

● 系統(tǒng)的防水防塵要求：IP67GB/T 4208—2017

● 系統(tǒng)的振動要求：SAE J2380GB/T 33978—2017

● 系統(tǒng)的沖擊要求：5 g GB/T 36288—2018

● 系統(tǒng)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(tǒng)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 ( 處理重整產物中的雜質 )、啟動裝置等設備。其中，甲醇的重整反應需要的熱量由燃燒設備提供，燃燒設備的燃料來源有兩部分，一是啟動階段使用的甲醇燃料，二是穩(wěn)定運行時采用轉化出來的多余氫氣。甲醇重整反應的最終產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(tǒng)的核心零部件之一。重整器的技術路線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(tǒng)對熱量的控制較為關鍵，需要精確的監(jiān)控各環(huán)節(jié)溫度。

2.4 甲醇重整器的工作原理

       系統(tǒng)啟動時，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(qū)域溫度的均勻分布，在燃燒室入口處設有專門的燃燒物料均布裝置。甲醇與空氣進入燃燒物料均布裝置后，沿通道均勻地進入相應的燃燒室，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，通入合適比例的甲醇物料和空氣，重整反應即可迅速啟動并維持穩(wěn)定。

       室溫無蒸發(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，產生熱，使得整個重整制氫反應器內的溫度升高，也是可以達到重整目的；但是隨著功率需求的提升，從啟動時間、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。CH₃OH與H₂O的摩爾比在：1:1~1:1.6。反應產物中會存在產生少量CO和CO₂。因此，反應氣體若是給低溫電堆系統(tǒng)使用，為了防止燃料電池因 CO 中毒，在甲醇重整過程中需要對氣體進行凈化處理。但是供給高溫系統(tǒng)電堆時，2%以內的CO不會對電堆產生毒化影響。

2.5 重整器的設計特性

       通過零部件設計階段的質量屋的建立和分析，可以找出實現(xiàn)工程特征要求的難點和薄弱環(huán)節(jié)，重新進行有關零部件特征的方案設計。零部件設計階段的質量屋的最終輸出是能保證實現(xiàn)工程特征要求的零部件特征要求。結合實際的開發(fā)經驗，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，但也會帶來結構強度、密封、制造工藝等問題，在設計過程中應合理考慮，尤其是在車用大功率重整器的開發(fā)中，需要重視車用環(huán)境中振動帶來的可靠性問題。

● 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，有利于提高氫產量及轉化效率。同時，也有利于系統(tǒng)的動態(tài)平衡。但是，溫度過高會導致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(tǒng)的穩(wěn)定。但是，車用條件下，為了讓甲醇重整器的啟動時間盡量縮短，設計時需要根據(jù)具體結構平衡取舍，提高集成化，降低熱容；

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

● 保溫：保溫在系統(tǒng)運行中起著至關重要的作用。較好的保溫結構可以快速讓系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，縮短啟動時間，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性；

2.6 重整反應的熱量平衡計算

      熱量平衡是重整系統(tǒng)穩(wěn)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 = 60000 A

理論H₂量：

V = RTIt/PzF = (8.314×298×60 000×60)/(101.3×2×96485)=456 L/min。

若按進氣量為1.4倍計量比計算，需求的重整反應的氫產量為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(jù)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 = 15975 W

3 車用高溫甲醇燃料電池的挑戰(zhàn)

3.1 車用燃料電池的工作特點

       汽車行駛過程中，狀態(tài)在不斷變化，如上下坡、加減速等，因此需要發(fā)動機輸出不同的功率。如果一輛燃料電池汽車通過燃料電池發(fā)電直接驅動電機，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看，電堆的主歧管流道、分配流道、反應區(qū)微流道等等，都是基于某幾個特定工況范圍設計的。當下的電堆功率設計趨勢是越來越大，為了兼顧功率密度的需求，要采用高壓條件來實現(xiàn)。因此，通氣條件在全工況下適應非常困難。在負載過大或過小時，電堆都只能短時間工作。從在線重整制氫角度來看，重整反應制氫再到電堆需要一定的時間，甲醇重整器的響應跟不上動力變化的需求。同時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(wěn)定。所以現(xiàn)階段高溫燃料電池需要和二次電池進行混動。

       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(tǒng)，關聯(lián)到車輛。燃料電池的車用混動系統(tǒng)包含發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、峰值輸出功率和持續(xù)輸出功率（如圖4）。通常情況下，峰值輸出是持續(xù)輸出的3倍。

圖4 燃料電池的車用混動系統(tǒng)

Fig. 4 Fuel cell vehicle hybrid system

3.2 車用高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的工作流程

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)控制的主要流程包括：冷啟動流程、保溫流程、輸出流程、關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力的電能來源混合輸出。燃料電池的輸出功率需匹配二次電池的剩余電量和整車功率需求；在整車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^程要讓燃料電池的工作狀態(tài)盡量穩(wěn)定，整車動力性需能滿足實際工況要求。

       將整車功率需求劃分成A~D的4個功率段，以36 kW高溫甲醇燃料電池的控制方法為例，下面將二次電池簡稱為 SOC，高溫甲醇燃料電池輸出功率簡稱為HTMFC_Power，具體如下。

(1) 整車功率需求 <6 kW

● SOC ≤ 30% 時，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；

● 5%＜SOC≤90%，HTMFC_POWER停止工作；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER停止工作。

(2) 6kW ≤整車功率需求大于 <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= 整車功率需求；

● 90% ≥ SOC ＞ 75%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進入保溫流程。

(3) 18 kW ≤整車功率需求 <36 kW

● SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER=36 kW；

● 30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER=36 kW；

● 60% ＜ SOC ≤ 75%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● 75% ＜ SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進入保溫流程。

(4) 36 kW ≤整車功率需求

● SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER=36 kW；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進入保溫流程。

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

3.3 高溫甲醇燃料電池控制系統(tǒng)的開發(fā)

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

圖5 傳統(tǒng)車用嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程

Fig. 5 Development process of traditional automotive embedded systems

       因此，我們需要開發(fā)過程中的軟件設計、測試等開發(fā)工作盡量同步，如圖6。在成熟的控制器開發(fā)工具包上進行改進將有效縮短開發(fā)時間。市場中部分軟件還有自動化代碼生成技術，可以完成硬件驅動和模型算法的集成，幫助開發(fā)人員從繁瑣的硬件開發(fā)、驅動開發(fā)和軟件集成工作中解脫出來。無需關注底層實現(xiàn)細節(jié)，從而專注于應用策略及控制算法開發(fā)，并快速驗證算法的高效性和正確性，縮短開發(fā)周期。

圖6 軟件設計、測試等開發(fā)工作盡量同步

Fig. 6 Software design, testing and other development work should be synchronized as much as possible

3.4 高溫甲醇燃料電池的車用機遇

       依據(jù)現(xiàn)有市場調查結果，與傳統(tǒng)內燃機車型相比，考慮加氫站的問題，PEM 燃料電池車的新能源車型的實際使用環(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、停靠的地點較為固定。燃料電池車的持續(xù)最髙車速一般在（45~75）km/h，瞬時最髙車速一般不超過100 km/h，且使用燃料電池車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，客戶對燃料電池動力系統(tǒng)的需求與純電動汽車類似，主要體現(xiàn)在氫氣的能耗、動力響應性、續(xù)航能力、燃料電池的可靠性、后期維護成本等這幾個主要方面。

       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就是將制氫的環(huán)節(jié)從工廠轉移到了車輛上。在車里自動把甲醇轉化成氫氣，再用氫去燃料電池里發(fā)電，優(yōu)勢有如下3點。

       1）規(guī)避了普通氫燃料電池最不容易解決的問題——氫氣網絡的建設。由于氫的特性，如何安全儲存、運輸以及把氫加到車里都是不易突破的技術難點，尤其是低成本的安全儲存和運輸?，F(xiàn)階段建設一座加氫站至少需1000萬元，而一個中等加油站只需200萬元。而且液態(tài)甲醇的加注方式能很好兼容現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)。改裝加油槍的成本也僅需10萬元，因此，通過少量的投入即可對現(xiàn)有加油站改造，實現(xiàn)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(xiàn)階段國內化工領域甲醇產量過剩，而且甲醇屬于可再生能源，以甲醇為能源動力形成替代傳統(tǒng)燃料的產業(yè)升級。從制備、存儲、運輸、加注到工業(yè)、生活用電等多種場景的應用所產生的產業(yè)結構閉環(huán)，已經形成了完整的甲醇生態(tài)圈?，F(xiàn)在歐洲，如德國、英國、丹麥等國家都在大力研究這個技術路線。

       3）里程補充速度。未來二次電池技術肯定會突破，電池能量密度的提升是必然發(fā)展趨勢，續(xù)航里程將逐步解決。但是充電是化學變化，加油或甲醇是物理變化。電動車要想實現(xiàn)加油或甲醇級別的里程補充速度，短期看幾乎沒有可能，目前只能采用換電技術作為過渡。

3.5 純電汽車移動充電站的機遇

       隨著未來純電動車的快速發(fā)展，其充電短板在需求端必然會變得更加突出，現(xiàn)有的一種解決思路是采用移動式充電設備，如特斯拉所做的移動式電站，根據(jù)介紹，其半掛車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 從完全沒電充到滿電（圖7）。

圖7 特斯拉的移動式電站

Fig. 7 Tesla’s mobile power station

       如果用高溫甲醇燃料電池做移動式電站，首先，從技術難度來看，與直接作為車用動力電源相比，移動式充電站容易實現(xiàn)。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式電站。而且，能量的傳遞效率更高。最后，充電的經濟性也有優(yōu)勢（見表1）。

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

表1（甲醇式電站指高溫甲醇燃料電池）

Table 1 (Tower refers to high temperature tower fuel cell)

3.6 高溫甲醇燃料電池的車用挑戰(zhàn) 

       目前，和國外典型產品的性能對比，我國氫空燃料電池商用車在整車總布置、動力性、經濟性、續(xù)駛里程等方面差距不大，混合動力系統(tǒng)集成和控制水平無明顯差距，但氫空燃料發(fā)動機的功率明顯低于國外水平，根本原因在于裝車的氫空燃料電池發(fā)動機的體積比功率偏低，系統(tǒng)集成化有待提高。然而，高溫甲醇燃料電池的整車應用正處于起步階段，這個問題更為突出。

       高溫工作的特點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(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius equation）經驗公式：

k = Ae-Ea/RT

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

       溫度升高，反應的活化分子數(shù)明顯增加，從而反應速率加快。實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PEMFC中水管理問題也得以解決。

       但是，另一方面的挑戰(zhàn)在于催化劑和高性能MEA的設計開發(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。高溫非水質子交換膜體系的技術路線有無機強酸(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足使用要求，又兼具較好的質子傳導性，但這個工藝過程需要不斷完善。

4 結束語

       當下燃料電池行業(yè)的發(fā)展迅猛，應用于乘用車的氫空燃料電池電堆功率額定功率已經達到70 kW，電堆壽命超過6000 h，系統(tǒng)額定功率超過60 kW，裸堆成本降低至2000 元 /kW以內（百臺訂單）。應用于商用車的氫空燃料電池電堆額定功率達到130 kW，電堆壽命超過10000 h，商用車的系統(tǒng)額定功率達到100 kW。

       預計未來幾年，燃料電池行業(yè)會迎來較大的發(fā)展，由于石墨雙極板較好的壽命和價格優(yōu)勢，將會在商用車領域逐步成為主流。燃料電池發(fā)動機的系統(tǒng)集成化將提高，并在動力系統(tǒng)層面與整車進行同步設計，通過整車的智能控制、可靠性、安全性以及耐久性等方面形成的自主核心技術，支持全新結構燃料電池電動汽車，尤其是中高級燃料電池電動汽車安全結構整車平臺開發(fā)，并形成小批量生產能力。

       燃料電池市場細分的高溫甲醇燃料電池的發(fā)展極具潛力。根據(jù)其工作特點和整車用需求，現(xiàn)階段的發(fā)展方向可能是中小功率的標準模組化系統(tǒng)。應用方式或許是通過電池模組之間的靈活組合，配合二次電池的混動方式來實現(xiàn)。