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    甲醇制氫+燃料電池技術,成為汽車產業的新寵

    發布日期: 2019-04-10
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    2019年3月14日,工信部會同發改委、科技部、an部、生態環境部、交通部、衛生健康委、市場監督總局,以工信部聯節【2019】61號文件,正式下發了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》?!吨笇б庖姟啡娼沂竞蛦恿宋覈状计嚨耐茝V應用,由此帶動了我國工業領域動力燃燒和熱力燃燒應用甲醇燃料的全面推進。

    3月19日,《指導意見》正式在工信部網站上開發布,引起了行業和產業極大的關注,特別是《指導意見》中第五條指出的“鼓勵和支持企業研發甲醇混合動力汽車、甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產品。加快甲醇汽車科研成果轉化及產業化應用”??梢哉f既是給新一代甲醇汽車的發展指出了方向,也是給甲醇汽車制造企業,乃至汽車行業提出了新的挑戰。相信甲醇燃料動力燃燒技術的應用,甲醇燃料電池技術的應用,一定會有一個較大和較快的發展。

    能源界新秀---甲醇燃料

    甲醇作為一種(碳、氫)能量的載體,本質潔凈,其常溫常壓液態的基本物理屬性,使得儲、運、用以及能量形式的轉換更加安全便捷。甲醇由于來源廣泛、經濟體量巨大、全產業鏈可持續發展,已逐步為業界認是一種理想的新型清潔可再生燃料。

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

    甲醇再一次作為燃料進入人們的視野是在上世紀七十年代,被視為替代燃料以應對原油價格的沖擊。

    1.1997年奔馳司推出了臺以甲醇作為燃料的FCV,Necar 3,它通過甲醇水蒸氣重整技術將甲醇重整,得到氫氣并將氫氣導入電堆發電,此過程中氫氣即產即用。

    2.2000年推出的奔馳Necar 5,這款車在Necar 3的基礎上,在性能方面有著極大提升,尤其體現在“減體積”方面。

    3.1996-2004年間,本田司也在燃料電池領域就甲醇重整制氫做了相應的研究,并推出了相關車型。

    甲醇在歐美和日本均屬于化工產品,日常生活中人們和甲醇的關聯度不高,對甲醇的接觸和了解程度遠不如中國。在中國,甲醇作為“燃料”,已經經歷了多年的發動機研發和實車推廣測試工作,甲醇供應鏈完備。

    甲醇能源推動汽車制造業發展

    甲醇重整制氫在海外經歷了長達10年(2006-2016年)的低潮期,僅僅在備用電源領域有所應用。而國內從2010年起,開始有企業對此關注,做相應的研究,并從2014年開始逐步推出產品。

    2011年,世界大學生運動會在深圳舉行。當年,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用:因為那一批的鋰電池電動車里程衰減太快,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,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到100kW以上,可以從30kW開始。

    在這個技術路線的指導下,基于甲醇重整燃料電池發電系統開始進入我國汽車制造業的視野,正式邁入中國汽車產業的發展舞臺,并由此開始在中國得到深入研究。

    甲醇重整制氫+氫燃料電池系統作為“發電機”系統,主要有三種技術路線:

    A. 類技術是甲醇重整+高溫燃料電池(甲醇重整制氫高溫燃料電池),這類技術是現階段發展比較快的技術路徑,代表企業有丹麥Senergy、博氫Palcan,已在電動車及其他特殊領域得到應用。

     高溫燃料電池是指工作溫度在160℃以上的質子交換膜技術。相比于85℃左右工作溫度的常溫/低溫系統,高溫燃料電池的160℃工作溫度可以保證氫氣在電堆內反應后的產物都是水蒸氣,而不存在液態水的可能。目前高溫燃料電池與低溫質子交換膜燃料電池都是目前成熟的燃料電池技術,然而,高溫燃料電池大缺陷在于效率低、體積大、催化劑和膜的技術問題未得到有效解決,同時它還面臨著產業化的問題。

     B. 第二類技術是甲醇重整制氫+氫氣提純+低溫燃料電池(水氫技術),該路徑是甲醇重整制氫技術與低溫純氫燃料電池技術的集成。將甲醇水重整獲得的富氫進行提純,獲得99.9999%純度的高純氫,氫氣再進入燃料電池電堆發電。代表企業有上海合既得、廣東合即得、廣東能態、山東濰氫等水氫系企業。目前水氫技術已經成功應用在電動車、通訊基站電源上,得到廣泛認可。

    低溫純氫燃料電池是目前成熟、gao效的燃料電池技術,早已實現了批量生產,并在眾多應用領域廣泛應用。目前實現商業化應用的燃料電池汽車都采用的是低溫燃料電池系統,比如豐田Mirai、本田Clarity。

     

    C. 第三類技術是甲醇重整+除CO裝置+低溫燃料電池。 

    這一技術的特點是,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,使之變為CO2,從而以混合氣的形式進入到低溫堆的陽極,氫氣參與反應發電,其他氣體從陽極排出。目前,主要以歐洲部分研究所研究為主導。

    除以上三種甲醇重整制氫燃料電池系統外,還有一種就是直接甲醇燃料電池DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)。電堆的結構也是PEM的結構,雙極板加質子膜是主體部分。然而,與其他燃料電池相比,盡管DMFC的優勢明顯,但其發展卻比其他燃料電池緩慢。

    jiu有競爭力的甲醇制氫+燃料電池技術裝備---水氫機

    水氫機是甲醇水蒸氣重整制氫技術與燃料電池發電技術高度集成的裝置,包含制氫、發電和智能控制三大系統。其工作原理為甲醇水混合液在重整器內被轉化為富氫重整氣,富氫通過純化膜形成超純氫,純氫進入低溫質子交換膜燃料電池電堆后通過氫氧反應即可發電。智能控制系統實現了制氫系統與發電系統之間運行交互協調及氫氣的即產即用。

    目前水氫機制備氫氣的純度高達6個9,高純氫可以提高燃料電池的系統壽命和效率。它采用了尾氣循環利用技術,yi排放的二氧化碳又可以回收,因此它是*的。此外,水氫機制氫過程中不需要氧氣,因為水氫機的原料甲醇中含有氧氣,直接利用氧化和催化就可以實現無空氣移動制備高純氫。氫氣高純化、尾氣循環利用等關鍵技術使水氫機具有“動氫”、“高純動氫”、“無排放高純動氫”等優勢。

    水氫機在制氫上的優勢與當前gao效的氫燃料電池進行高度集成,可以實現氫燃料電池的長壽命化、gao效化、清潔化。

    在技術線上,水氫機可以完全避開傳統用氫過程中的儲運及加氫過程,解決氫能應用的安全問題、成本問題及基礎設施的建設問題,從根本上解決燃料電池的氫源,為氫能與燃料電池的大規模市場與商業化提供出路。

    為了突破氫燃料電池在推廣應用中所存在的經濟性和安全性問題,致力于快速實現水氫機的市場化、產業化,2018年集團啟動了AH7500水氫機的產業化,并與山東濰焦控股集團形成合作伙伴關系,正式啟動10萬套AH7500水氫機產業化項目,立足全面提升7.5kW水氫機的研發、生產、檢測能力。

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