技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES2019年3月14日,工信部會(huì)同發(fā)改委、科技部、公an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)》?!吨笇?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”??梢哉f(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。
能源界新秀---甲醇燃料
甲醇作為一種(碳、氫)能量的載體,本質(zhì)潔凈,其常溫常壓液態(tài)的基本物理屬性,使得儲(chǔ)、運(yùn)、用以及能量形式的轉(zhuǎn)換更加安全便捷。甲醇由于來(lái)源廣泛、經(jīng)濟(jì)體量巨大、全產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展,已逐步為業(yè)界公認(rèn)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(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。
1.1997年奔馳公司推出了臺(tái)以甲醇作為燃料的FCV,Necar 3,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。
2.2000年推出的奔馳Necar 5,這款車(chē)在Necar 3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。
3.1996-2004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。
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。
甲醇能源推動(dòng)汽車(chē)制造業(yè)發(fā)展
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,并從2014年開(kāi)始逐步推出產(chǎn)品。
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(xiàn)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(xiàn):
A. 類(lèi)技術(shù)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(lèi)技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展比較快的技術(shù)路徑,代表企業(yè)有丹麥Senergy、博氫Palcan,已在電動(dòng)車(chē)及其他特殊領(lǐng)域得到應(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。目前高溫燃料電池與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池都是目前成熟的燃料電池技術(shù),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(shù)問(wèn)題未得到有效解決,同時(shí)它還面臨著產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題。
B. 第二類(lèi)技術(shù)是甲醇重整制氫+氫氣提純+低溫燃料電池(水氫技術(shù)),該路徑是甲醇重整制氫技術(shù)與低溫純氫燃料電池技術(shù)的集成。將甲醇水重整獲得的富氫進(jìn)行提純,獲得99.9999%純度的高純氫,氫氣再進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)電。代表企業(yè)有上海合既得、廣東合即得、廣東能態(tài)、山東濰氫等水氫系企業(yè)。目前水氫技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)、通訊基站電源上,得到廣泛認(rèn)可。
低溫純氫燃料電池是目前成熟、gao效的燃料電池技術(shù),早已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn),并在眾多應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的燃料電池汽車(chē)都采用的是低溫燃料電池系統(tǒng),比如豐田Mirai、本田Clarity。
C. 第三類(lèi)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。目前,主要以歐洲部分研究所研究為主導(dǎo)。
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(Direct Methanol Fuel Cell)。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。然而,與其他燃料電池相比,盡管DMFC的優(yōu)勢(shì)明顯,但其發(fā)展卻比其他燃料電池緩慢。
jiu有競(jìng)爭(zhēng)力的甲醇制氫+燃料電池技術(shù)裝備---水氫機(jī)
水氫機(jī)是甲醇水蒸氣重整制氫技術(shù)與燃料電池發(fā)電技術(shù)高度集成的裝置,包含制氫、發(fā)電和智能控制三大系統(tǒng)。其工作原理為甲醇水混合液在重整器內(nèi)被轉(zhuǎn)化為富氫重整氣,富氫通過(guò)純化膜形成超純氫,純氫進(jìn)入低溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆后通過(guò)氫氧反應(yīng)即可發(fā)電。智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制氫系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)之間運(yùn)行交互協(xié)調(diào)及氫氣的即產(chǎn)即用。
目前水氫機(jī)制備氫氣的純度高達(dá)6個(gè)9,高純氫可以提高燃料電池的系統(tǒng)壽命和效率。它采用了尾氣循環(huán)利用技術(shù),唯yi排放的二氧化碳又可以回收,因此它是*的。此外,水氫機(jī)制氫過(guò)程中不需要氧氣,因?yàn)樗畾錂C(jī)的原料甲醇中含有氧氣,直接利用氧化和催化就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)空氣移動(dòng)制備高純氫。氫氣高純化、尾氣循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)使水氫機(jī)具有“動(dòng)氫”、“高純動(dòng)氫”、“無(wú)排放高純動(dòng)氫”等優(yōu)勢(shì)。
水氫機(jī)在制氫上的優(yōu)勢(shì)與當(dāng)前gao效的氫燃料電池進(jìn)行高度集成,可以實(shí)現(xiàn)氫燃料電池的長(zhǎng)壽命化、gao效化、清潔化。
在技術(shù)線(xiàn)上,水氫機(jī)可以*避開(kāi)傳統(tǒng)用氫過(guò)程中的儲(chǔ)運(yùn)及加氫過(guò)程,解決氫能應(yīng)用的安全問(wèn)題、成本問(wèn)題及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)問(wèn)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(guī)模市場(chǎng)與商業(yè)化提供出路。
為了突破氫燃料電池在推廣應(yīng)用中所存在的經(jīng)濟(jì)性和安全性問(wèn)題,致力于快速實(shí)現(xiàn)水氫機(jī)的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化,2018年集團(tuán)啟動(dòng)了AH7500水氫機(jī)的產(chǎn)業(yè)化,并與山東濰焦控股集團(tuán)形成合作伙伴關(guān)系,正式啟動(dòng)10萬(wàn)套AH7500水氫機(jī)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,立足全面提升7.5kW水氫機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)能力。
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