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一文读懂甲醇燃料电池
日期:2022-07-26    浏览次数: 108

  氢燃料电池应用降本需求迫切,糅合了甲醇低成本即时制氢与燃料电池基因的甲醇燃料电池引发关注,并吸引了国内外企业展开布局。

  国际方面,韩国完成潜艇甲醇重整燃料电池AIP系统研发、全球最大航运公司马士基宣布将推出首艘使用绿色甲醇燃料电池的港口拖船等。在国内,近日吉利第4代帝豪醇电混动轿车上市,吉利完全正向研发的远程甲醇重卡在贵阳同步交付;佛山南海丹灶仙湖 “嘉鸿01”高温甲醇燃料电池示范游船已顺利首航投营;摩氢科技交付中国铁塔的MPT-5kW长寿命甲醇燃料电池发电站……

  氢燃料电池发展热潮下,企业为何布局发展甲醇燃料电池?甲醇燃料电池产业链技术、材料、核心产品等方面进展如何?又有着怎样的市场机遇?

  甲醇燃料电池逐步“被看见”

  甲醇燃料电池的应用其实并不是一门新技术,1997年奔驰公司推出了第一台以甲醇作为燃料的FCV,Necar 3,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300km以上。

  在随后近20年的时间里,德国戴姆勒克莱斯勒、日本本田、丹麦Serenergy等汽车生产商也相继开发出甲醇燃料电池车型,并促使丹麦建设了第一个甲醇加注站。

  而国内对甲醇燃料电池的探索起源于2001年,由大连化物所孙公权带领的科研团队针对甲醇燃料电池的关键材料、核心部件、系统集成、过程监控、产品应用等基础与工程全链条自主创新。

  2015年,苏州氢洁电源科技有限公司成功将一辆6米南京金龙纯电动商务车,改装为甲醇重整氢燃料电池“电-电”混合动力车,一次加注甲醇运行1008公里;2016年,全国首辆高温甲醇燃料电池乘用车在大连物化所试运行;2017年12月,国内首台甲醇燃料电池车型EQ5050XXYTFCEV2登陆工信部第303批次整车公告,甲醇燃料电池汽车正式迈入中国汽车产业的发展舞台。

  发展至今,我国在甲醇燃料电池领域也有了进展。山西、上海、陕西、贵州、甘肃等省市先后开展了甲醇汽车试点运行工作。2019年,吉利旗下新能源商用车品牌远程汽车便发布了全球首款甲醇重卡;2021年,远程汽车推出了13L国六甲醇发动机;今年3月,由吉利控股集团研发生产的甲醇轿车和远程甲醇重卡,开启了在丹麦奥尔堡的测试和示范运行。

  今年6月30日,全球首款甲醇混合动力轿车—吉利第4代帝豪醇电混动轿车上市,正式成为第十一届贵州省运会赛事指定用车,与吉利完全正向研发的远程甲醇重卡在贵阳同步交付。目前吉利在甲醇燃料电池汽车领域已经拥有了近百项专利,已开发20余款甲醇动力车型,涵盖了从乘用到商用的两大领域,甲醇汽车累计投放量达到2.7万,总运行里程接近100亿公里。

  另从资源角度来看,我国发展甲醇燃料电池汽车的优势也不小。甲醇燃料可通过煤、天然气、生物质、太阳能等多种原料制取获得。2020年我国新增甲醇产能542万吨,总产能约为9914万吨,较2019年增长11.8%。目前用于制氢的甲醇占到甲醇总量的5~6%。甲醇产量的逐年提升对甲酵燃料电池汽车的发展起到了良好的促进作用。

  资源禀赋的巨大发展空间下,随着技术的突破进步,甲醇燃料电池汽车在产品成熟度、系统技术等方面已经有了长足的进步,甲醇燃料和甲醇汽车相关的主要标准规范也随之完善建立:2021年9月,生态环境部于正式受理甲醇汽车的环保认证,甲醇汽车被纳入国家汽车工业统一管理范畴。

  同年11月,工信部在《“十四五”工业绿色发展规划》中提出,推进二氧化碳耦合制甲醇等降碳技术的推广应用,将甲醇汽车纳入绿色产品,大力发展和推广新能源汽车,促进甲醇汽车等替代燃料汽车推广。

  由于多重力量的共同推进,甲醇燃料电池的发展机遇被看见,当前以中科嘉鸿、上海博氢、苏州氢洁、广东能创、上海舵克、摩氢科技、吉利汽车、爱驰汽车、潍柴动力、南岳电控、华菱星马、达菲特等为代表的企业已经针对甲醇燃料电池领域展开深耕,甲醇燃料电池产业链规模化推广的阵营正逐步壮大。

  产业链现状与前景

  从技术路线来看,甲醇燃料电池主要分为直接甲醇燃料电池(DMFC)、低温甲醇重整制氢燃料电池(RMFC)、高温甲醇燃料电池(HTMFC)三种技术路线,各自的反应原理和擅长的应用场景也有所不同

  其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)不依赖于氢的产生,是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一种变种路线,直接使用纯甲醇而不需要预先重整制氢。吉利的甲醇燃料电池汽车即采用该技术路线。

  而低温甲醇燃料电池(RMFC)与高温甲醇燃料电池(HTMFC)技术体系类似,包括关键材料、核心部件、系统集成、智能控制,以及多能源组合利用等,根据反应温度和对氢气反应纯度的需求不同,采用的反应材料和系统附件也略有不同,如RMFC的电堆采用低温PEMFC电堆,吃“精粮”,系统需要配套气体纯化设备和高压缓冲储氢装置,而HTMFC反应温度高达120~800度,可以吃“粗粮”,但对系统热管理及控制策略提出了更高的要求。

  从供应链水平来看,由于入局的企业偏少,基本呈现自主开发,部分需求向供应商采购的模式。其中直接甲醇燃料电池较早运用于军工领域,系统结构相对简单,部分企业已经可以实现材料及系统辅件的自主化生产;而低温甲醇燃料电池和高温甲醇燃料电池由于结构相对复杂,除了阀门等对精度要求较高的器件,国内企业基本可以实现系统各部件的供应。

  在生产设备上,国产化率达到70%,在部分检测设备上依然优先采用精度较高的进口设备。

  技术性能方面,国内企业已经基本掌握了关键材料、部件及模块的制备技术。

  直接甲醇燃料电池把系统效率和稳定性的提升希望寄托在反应温度的提升上。“当前在200度左右的反应温度,系统效率大概在65%左右,如果温度可以提升到300-400度,系统效率可以提高到80%,因此‘原材料’膜电极和催化剂是突破的重点。对于我们做直接甲醇燃料电池的企业来说,就是不骄不躁,坚持把产品性能搞好。”上海舵克工程师俞荣表示。

  而低温甲醇燃料电池(RMFC)与高温甲醇燃料电池(HTMFC)均拥有甲醇重整、氢燃料电池电堆等技术含量较高的模块。在甲醇制氢模块上,国内以广东能创、苏州氢洁为代表的企业拥有较为领先的核心技术。

  以广东能创为例,其M60车载甲醇重整制氢燃料电池动力总成系统的甲醇重整系统产氢量提升至650L/min-1200L/min,同等发电量的情况下,产氢机的体积相当于氢罐体积的三分之一。

  成本方面,在入局企业规模相对较小的情况下,直接甲醇燃料电池的系统成本在5000-6000元/kW;低温甲醇燃料电池(RMFC)与高温甲醇燃料电池(HTMFC)多出了一整套重整制氢系统,与氢燃料电池相当,甚至更高。但由于氢源的成本较低,后期的运维成本上较低。

  应用方面,由于甲醇燃料电池汽车市场保有量过少,使得消费者对甲醇燃料电池汽车的认识还不够清晰,因此对甲醇燃料电池汽车的安全、性能等存在疑虑,同时由于缺少实际运营的数据支撑,甲醇燃料电池车在推广方面也存在不小的阻力。

  “在氢燃料电池的储运暂时没有较好的解决方案的情况下,甲醇燃料电池越来越引发业界的关注。整个氢能产业正壮大发展,无论是氢燃料电池,还是甲醇燃料电池,共同诉求都是更便捷的氢源、更高的反应效率,更稳定的动力系统,共同的诉求将促使甲醇燃料电池、氢燃料电池在多元化的应用中形成发展合力。”苏州氢洁研发总监余皎认为。

  对于何时能实现规模化应用,业内人士推断:甲醇在储运加注方面有着现阶段氢气/液氢无法超越的成本、技术等方面的优势,但从技术研发、基础配套设施等方面,以及市场化运作的程度来看,都有很长一段路要走,要商业化大概需要5年时间。

文章来源:微信公众号“高工氢电” ID:weixin-gg-fcev ,如侵联删

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