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生在陽極和陰極的氧化還原反應将化學能轉化爲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於(yú)燃料儲存系統的容量，可通過增加燃料罐體積或者數量獲得提升。燃料電池系統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(bèi)的，其根本原因在於(yú)封閉體系和開放式工作方式的本質區别。同時兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現代汽車對動力系統的最基本技術要求。

       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電能的儲存和釋放。而燃料電池作爲電能的生産裝置，其工作方式跟内燃機比較類似。燃料電池的二次電池在工作方式上的本質不同，決定瞭(le)二次電池可能更适用於(yú)中小功率的儲能用於(yú)，而燃料電池則可能更适合較大功率的應用。

       當(dāng)下國内氫氧燃料電池的發展較爲迅速，和五年前相比，各種性能指标都有瞭(le)大幅提高。比如，壽命和五年前相比提高瞭(le) 300%，普遍達到瞭5000 h。産業鏈也初步建設起來，但是要推進燃料電池行業的商業化，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副産氫，電解氫技術也相對成熟。但是氫氣的輸送、分配及加氫等環節尚存在諸多技術難點，加氫站的關鍵設備(bèi)還要進口，導緻成本較高，限制瞭(le)産業的快速發展。

       甲醇是國内最易實現的氫源載體之一，甲醇可以通過重整的方式在線制備氫氣，從而爲燃料電池汽車提供氫源，不僅解決瞭(le)運輸問題，並(bìng)且在安全和經濟方面也有一定的優勢。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採(cǎi)用甲醇水溶液爲燃料的新能源電池，現階段有諸多優點：對比傳統内燃機有排放優勢，對比二次電池有續航優勢，對比氫空燃料電池有燃料的儲(chǔ)運優勢。當然高溫技術路線還存在一些挑戰。

1 高溫甲醇燃料電(diàn)池的介紹(shào)

1.1 高溫甲醇燃料電池的原理

       高溫甲醇燃料電(diàn)池系統主要有3種技術(shù)路線：

       第1類技術是甲醇重整 + 除 CO 裝置 + 低溫電堆。技術特點(diǎn)是，通過催化劑，對甲醇重整産(chǎn)生的混合氣中的CO進行選擇性氧化，使之變爲CO₂；再進行降溫處(chù)理後，以混合氣的形式進入到低溫堆的陽極，氫氣參(cān)與反應發電，其他氣體從陽極排出。整個系統的排放僅有水汽和CO₂。

       第2類技術是甲醇重整制氫 + 氫氣提純(chún) + 低電(diàn)堆，将獲得的氫氣（通常含有H₂、CO₂、CO及水蒸氣）進行提純，獲得99.99%純(chún)度的高純(chún)氫，氫氣降溫後再進入低溫電(diàn)堆發電(diàn)。

       第3類技術是甲醇重整 + 高溫電堆，這類技術是現階段發展最快的技術路徑，已在電動車及其他特殊領域得到瞭(le)衆多成功應用。三種技術路線的主要區别在於(yú)系統中的電堆不同，導緻對陽極氣體的需求差異。本文的後續内容以採用第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(diàn)池系統使用的燃料爲甲醇水溶液，系統化學反應主要在燃燒室、重整反應室和電(diàn)堆中進行。燃燒室的主要作用爲：①啓動過程中爲整個系統提供能量；②爲物料的氣化提供熱量；③爲重整腔的重整反應補(bǔ)充一定的能量。其中燃燒區主要進行燃燒反應[1]：

CH₃OH+1.5O₂ → CO₂+2H₂O

       将重整反應器與電(diàn)堆集成，當(dāng)啓動階段平穩後，整個反應系統進入穩定運行狀态後，系統将電(diàn)堆中過量陽極氫氣作爲燃燒燃料返回燃燒室。氫氣燃燒的反應爲：

H₂+1/2O₂ → H₂O

       重整反應室的主要作用是将氣(qì)化甲醇轉化爲氫氣(qì)，主要進(jìn)行化學反應爲[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(diàn)堆放電(diàn)反應的原理如圖(tú)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(biān)，電子經過外電路行程電流後，到達(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，質子、氧及電子，發生反應形成水分子。反應過程中的排放物隻有水。其中兩電極的反應分别爲[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産生大量的熱，燃料電池系統對電堆的産熱進行回收，一部分用於(yú)液态甲醇的氣化，另一部分採(cǎi)用如熱電連供等方式進行回收，理論上可以使系統在額定工作輸出時效率到達 70% 以上。

1.2 高溫甲醇燃料電(diàn)池系統的主要構(gòu)成

       高溫甲醇燃料電池系統主要由重整反應器、高溫電堆、熱管理、水管理、控制單(dān)元等幾部分構成。圖2是系統工作流程圖。甲醇燃料與空氣供給重整反應器産(chǎn)出氫氣，空氣與氫氣作爲電堆陰陽極的輸入，電堆放電經過DC/DC配合二次單(dān)池輸出電能，同時燃料電池系統運行過程中産(chǎn)生熱量，可被回收利用。

圖2 系統工作流程

Fig. 2 System workflow

1.3高溫甲醇燃料電(diàn)池系統(tǒng)的運行流程

       高溫甲醇燃料電池系統的運行過程中，從(cóng)功能的角度主要分爲兩個部分，一是将液态的甲醇水溶液轉化爲氫氣的過程。另一部分是将高溫電堆放電過程。兩者之間並(bìng)非簡單的上下遊關系，而是緊密相連，相輔相成的。根據主要的功能，系統運行過程如圖 3，甲醇水溶液儲(chǔ)存箱裏的燃料經過閥門、液泵和計量傳感器之後進入換熱器進行氣化，氣化之後的甲醇蒸汽分爲兩路，一路供給重整器啓動階段的燃燒使用。另一路供給重整反應産(chǎn)生氫氣，氫氣随後進入電堆。空氣路也分爲兩部分，分别供給燃燒和電堆。但在實際操作運行中，系統流程較爲複雜。

圖3 高溫甲醇燃料電(diàn)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

       在市場競争日趨激烈的今天，産品的高質量意味著(zhe)必須在産品性能、可靠性、安全性、适應性、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和精心的制作是無法實現的，必須從産品的設計和開發階段開始注入新的觀念和思維，爲用戶著(zhe)想，滿足用戶的各種需求。質量功能展開技術是用於(yú)新産品開發的質量保證的一種方法，可確保從開發、設計開始的全過程的質量。它把用戶的需求或聲音轉化爲設計工程師的語言，通過産品規劃、零部件規劃、工藝規劃和質量控制轉換成可度量的産品。因此，新産品開發中QFD過程的有效規劃與管理是新産(chǎn)品開發(fā)要解決的關鍵問題。

       QFD的最大優點之一是能在産(chǎn)品早期設計階段對産(chǎn)品設計做出有效的規劃和預防，将顧客的要求恰如其分地轉換成工程設計人員所能理解的産(chǎn)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産(chǎn)計劃中，使得設計和制造的産(chǎn)品能真正的滿足顧客需求。從(cóng)而避免在産(chǎn)品研制後期出現不必要的返工和重複性工作[1]。

2.2 高溫甲醇燃料電(diàn)池的顧(gù)客需求分析

       顧客需求是産(chǎn)品開發的最基本輸入信息，是企業進行産(chǎn)品開發的依據和源頭，也是企業正確(què)制定産(chǎn)品開發戰略的基礎。摘選部分顧客需求如下：

● 系統功率

● 産品成本

● 系統啓動時間

● 系統體(tǐ)積(jī)比功率與質量比功率

● 系統效率

● 存儲溫度：-40~60 ℃

● 環境溫度：-20~45 ℃

● 工作環境溫度：-30~45 ℃

● 低溫自啓動：-20 ℃

● 海拔高度≤ 2 000 m

● 環境相對濕度範圍：5%~95%

● 架壽命≥ 5000 h

● 平均無故障時間≥ 500 h

● 系統的防水防塵要求：IP67GB/T 4208—2017

● 系統的振動要求：SAE J2380GB/T 33978—2017

● 系統的沖擊要求：5 g GB/T 36288—2018

● 系統的電磁兼容要求：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中的核心零部件。甲醇重整器的主體結構包括蒸發器、混合器、重整反應器、換熱器、具有催化劑的燃燒設備(bèi)、淨化器 ( 處理重整産物中的雜質 )、啓動裝置等設備(bèi)。其中，甲醇的重整反應需要的熱量由燃燒設備(bèi)提供，燃燒設備(bèi)的燃料來源有兩部分，一是啓動階段使用的甲醇燃料，二是穩定運行時採(cǎi)用轉化出來的多餘氫氣。甲醇重整反應的最終産出物爲水和一氧化碳。

       重整器的主要功能是将液态甲醇燃料轉化爲氫氣，是高溫系統的核心零部件之一。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。重整系統對(duì)熱量的控制較爲關鍵，需要精確(què)的監控各環節溫度。

2.4 甲醇重整器的工作原理

       系統啓動時，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态甲醇，爲瞭(le)保證燃燒區域溫度的均勻分布，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後，沿通道均勻地進入相應的燃燒室，使得在燃燒腔内均布燃燒，從而獲得均勻的溫度分布。當重整腔室達到合适的重整反應溫度時，通入合适比例的甲醇物料和空氣，重整反應即可迅速啓動並(bìng)維持穩定。

       室溫無蒸發器的條件下，在燃燒催化劑的作用下，甲醇和水即可發生催化燃燒反應，産生熱，使得整個重整制氫反應器内的溫度升高，也是可以達到重整目的；但是随著(zhe)功率需求的提升，從啓動時間、壽命和性能等角度綜合評估，或許就需要採(cǎi)用換熱器。

       應用於(yú)車(chē)載的甲醇重整制氫的工作溫度範圍在200~300℃，反應壓力爲0.8~1.2 MPa。CH₃OH與H₂O的摩爾比在：1:1~1:1.6。反應産(chǎn)物中會(huì)存在産(chǎn)生少量CO和CO₂。因此，反應氣體若是給低溫電(diàn)堆系統使用，爲瞭(le)防止燃料電(diàn)池因 CO 中毒，在甲醇重整過程中需要對氣體進行淨化處(chù)理。但是供給高溫系統電(diàn)堆時，2%以内的CO不會對電堆産生毒化影響。

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，可以找出實現工程特征要求的難點(diǎn)和薄弱環節，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於傳熱，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中，需要重視車用環境中振動帶來的可靠性問題。

● 傳(chuán)熱距離(lí)：熱源與重整腔室内壁的距離(lí)。

● 重整工作溫度：在一定的高溫條件下，有利於(yú)提高氫産量及轉化效率。同時，也有利於(yú)系統的動态平衡。但是，溫度過高會導緻CO的含量變(biàn)高，降低電堆的使用壽命。

● 熱容：保證一定的熱容有利於(yú)系統的穩定。但是，車用條件下，爲瞭(le)讓甲醇重整器的啓動時間盡量縮短，設計時需要根據具體結構平衡取舍，提高集成化，降低熱容；

● 催化劑顆粒：重整反應産(chǎn)物需要通過(guò)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：保溫在系統運行中起著(zhe)至關重要的作用。較好的保溫結構可以快速讓系統進入穩态，縮短啓動(dòng)時間，提高系統效率和穩定性；

2.6 重整反應的熱(rè)量平衡計(jì)算

      熱(rè)量平衡是重整系統(tǒng)穩定運行的必要前提，以36 kW電(diàn)堆的額(é)定輸出下熱量的計算方法爲例。

氫氣量計算：36 kW電堆，電壓按0.6 V計算，放電電流爲：

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。

若按進氣量爲1.4倍計(jì)量比計(jì)算，需求的重整反應的氫産(chǎn)量爲639 L/min。

熱量計(jì)算：甲醇重整制氫(qīng)反應方程式爲：

CH₃OH+H₂O = CO₂+3H₂  ΔH = 49 kJ·mol^(-1)

根據物料平衡計算，1 mL/min 甲醇溶液重整反應所需的熱(rè)量爲(wèi)15 W，則36 kW 重整器發(fā)生重整反應的吸熱(rè)量爲：

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爲 25 W，則36 kW 重整器甲醇氣(qì)化的吸熱(rè)量爲：

Q_氣化 = 25×V_甲醇 = 25×639 = 15975 W

3 車(chē)用高溫甲醇燃料電(diàn)池的挑戰

3.1 車(chē)用燃料電池的工作特點(diǎn)

       汽車行駛過程中，狀态在不斷變化，如上下坡、加減速等，因此需要發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，燃料電池並(bìng)不适合變載。從燃料電池的電堆角度來看，電堆的主歧管流道、分配流道、反應區微流道等等，都是基於某幾個特定工況範圍設計的。當下的電堆功率設計趨勢是越來越大，爲瞭(le)兼顧功率密度的需求，要採用高壓條件來實現。因此，通氣條件在全工況下适應非常困難。在負載過大或過小時，電堆都隻能短時間工作。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範圍，如空壓機在一定的輸出範圍内效率較高，且運行穩定。所以現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，燃料電池隻是其中一種特殊的混合能源系統，關聯到車(chē)輛。燃料電池的車(chē)用混動系統包含發電系統、儲(chǔ)能系統、峰值輸出功率和持續輸出功率（如圖4）。通常情況下，峰值輸出是持續輸出的3倍。

圖4 燃料電(diàn)池的車(chē)用混動系統

Fig. 4 Fuel cell vehicle hybrid system

3.2 車(chē)用高溫甲醇燃料電(diàn)池系統的工作流程

       高溫甲醇燃料電池系統控制的主要流程包括：冷啓動流程、保溫流程、輸出流程、關機流程和故障處(chù)理流程等。輸出流程是将氫燃料電池和二次電池組結合爲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餘電量和整車(chē)功率需求；在整車(chē)功率需求相同的情況下，燃料電池的輸出功率随二次電池的剩餘電量增加而減少。控制過程要讓燃料電池的工作狀态盡量穩定，整車(chē)動力性需能滿足實際工況要求。

       将整車(chē)功率需求劃(huà)分成A~D的4個功率段，以36 kW高溫甲醇燃料電(diàn)池的控制方法爲例，下面将二次電(diàn)池簡稱(chēng)爲 SOC，高溫甲醇燃料電(diàn)池輸出功率簡稱(chēng)爲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 ≤整車功率需求大於 <18 kW

● SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER 爲 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(chē)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(chē)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(biàn)化過程中，高溫甲醇燃料電(diàn)池輸出必須要有一定的穩定控制，防止高溫甲醇燃料電(diàn)池輸出功率頻繁波動。

3.3 高溫甲醇燃料電(diàn)池控制系統的開發(fā)

       由於(yú)高溫甲醇燃料電池的化學反應較爲複雜，高效的軟件控制系統顯得尤爲重要。爲瞭(le)保證電池系統的控制質量，軟件産品必須有一套嚴格的開發程序，激烈的市場競争也需要縮短開發時間。目前汽車電子普遍採用的開發流程是嵌入式系統開發流程，如圖5。此開發流程存在不足，直到台架調試，控制器才與被控對象結合，而此時系統的設計錯誤可能難以追溯，排除困難。

圖5 傳(chuán)統車(chē)用嵌入式系統的開發流程

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(cè)試等開發(fā)工作盡量同步，如圖6。在成熟的控制器開發工具包上進行改進将有效縮短開發時間。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，幫助開發人員從繁瑣的硬件開發、驅動開發和軟件集成工作中解脫出來。無需關注底層實現細節，從而專注於(yú)應用策略及控制算法開發，並(bìng)快速驗證算法的高效性和正確性，縮短開發周期。

圖6 軟件設計、測(cè)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(diàn)池的車(chē)用機遇

       依據現有市場(chǎng)調查結果，與傳統内燃機車(chē)型相比，考慮加氫站的問題，PEM 燃料電池車(chē)的新能源車(chē)型的實際使用環境更趨於(yú)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、停靠的地點較爲固定。燃料電池車(chē)的持續最髙車(chē)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(diàn)池車(chē)的主要顧客群大多集中在政府機構及特定企業群體中。

       因此，客戶對燃料電池動力系統的需求與純(chún)電動汽車(chē)類似，主要體現在氫氣的能耗、動力響應性、續航能力、燃料電池的可靠性、後期維護成本等這幾個主要方面。

       衆所周知，甲醇是制氫的主要原料之一，高溫甲醇燃料電池汽車就是将制氫的環節從工廠(chǎng)轉移到瞭(le)車輛上。在車裏自動把甲醇轉化成氫氣，再用氫去燃料電池裏發電，優勢有如下3點。

       1）規避瞭(le)普通氫燃料電池最不容易解決的問題——氫氣網絡的建設。由於(yú)氫的特性，如何安全儲存、運輸以及把氫加到車裏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。現階段建設一座加氫站至少需1000萬(wàn)元，而一個(gè)中等加油站隻需200萬元。而且液态甲醇的加注方式能很好兼容現有的加油站系統。改裝加油槍(qiāng)的成本也僅(jǐn)需10萬元，因此，通過少量的投入即可對(duì)現有加油站改造，實現廣(guǎng)泛的推廣(guǎng)。

       2）我國和歐洲都富含大量的甲醇資源，有利於(yú)加強能源安全。現階段國内化工領域甲醇産量過剩，而且甲醇屬於(yú)可再生能源，以甲醇爲能源動力形成替代傳統燃料的産業升級。從制備、存儲、運輸、加注到工業、生活用電等多種場景的應用所産生的産業結構閉環，已經形成瞭(le)完整的甲醇生态圈。現在歐洲，如德國、英國、丹麥等國家都在大力研究這個技術路線。

       3）裏程補充速度。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展趨勢，續航裏程将逐步解決。但是充電是化學變(biàn)化，加油或甲醇是物理變(biàn)化。電動車要想實現加油或甲醇級别的裏程補充速度，短期看幾乎沒有可能，目前隻能採(cǎi)用換電技術作爲過渡。

3.5 純(chún)電汽車(chē)移動充電站的機遇

       随著(zhe)未來純電動車的快速發展，其充電短闆在需求端必然會變得更加突出，現有的一種解決思路是採(cǎi)用移動式充電設備，如特斯拉所做的移動式電站，根據介紹，其半挂車上所搭載的儲能裝置爲特斯拉商用儲能電池Megapack。官方表示，其單次存儲(chǔ)容量可以達(dá)到3 MW·h，因此理論(lùn)上可以爲(wèi) 30 輛(liàng)配備(bèi) 100 kW·h 容量電(diàn)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，與直接作爲車(chē)用動力電源相比，移動式充電站容易實現。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锂電儲(chǔ)能的移動式電站。而且，能量的傳遞效率更高。最後，充電的經濟性也有優勢（見表1）。

       對(duì)比 PEMFC 的移動式充電(diàn)站，高溫甲醇燃料電(diàn)池還在氫氣儲(chǔ)運方面有巨大的優勢。

表1（甲醇式電(diàn)站指高溫(wēn)甲醇燃料電(diàn)池）

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

3.6 高溫甲醇燃料電(diàn)池的車(chē)用挑戰 

       目前，和國外典型産(chǎn)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、續駛裏程等方面差距不大，混合動力系統集成和控制水平無明顯差距，但氫空燃料發動機的功率明顯低於(yú)國外水平，根本原因在於(yú)裝車的氫空燃料電池發動機的體積比功率偏低，系統集成化有待提高。然而，高溫甲醇燃料電池的整車應用正處於(yú)起步階段，這個問題更爲突出。

       高溫工作的特點(diǎn)決定瞭(le)高溫是甲醇燃料電池的一把雙刃劍。一方面是優勢，根據阿倫尼烏斯（Arrhenius equation）經驗公式：

k = Ae-Ea/RT

（k爲速率常數，R爲摩爾氣體常量，T爲熱力學溫度，Ea 爲活化能，A 爲頻率因子。）

       溫度升高，反應的活化分子數明顯增加，從(cóng)而反應速率加快。實際(jì)應用中溫度每提高10℃，電極反應速率通常增加2~4倍，電(diàn)池性能随之提升。而且在 150℃以上，CO的毒化又可以大幅降低，同時(shí)PEMFC中水管理問題也得以解決。

       但是，另一方面的挑戰在於(yú)催化劑(jì)和高性能MEA的設計開發(fā)。高溫甲醇燃料電(diàn)池工作溫度在 160~180 ℃。氫空燃料電(diàn)池的質子交換(huàn)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 ) 配合聚苯並(bìng)咪唑膜或聚酰亞胺薄膜，玻璃化後的工作溫度可滿足使用要求，又兼具較好的質子傳(chuán)導性，但這個工藝過程需要不斷完善。

4 結束語

       當下燃料電池行業的發展迅猛，應用於(yú)乘用車(chē)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，系統額定功率超過60 kW，裸堆成本降低至2000 元 /kW以内（百台訂單）。應用於(yú)商用車(chē)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(chē)的系統額定功率達(dá)到100 kW。

       預計未來幾年，燃料電池行業會迎來較大的發展，由於(yú)石墨雙極闆較好的壽命和價格優勢，将會在商用車領域逐步成爲主流。燃料電池發動機的系統集成化将提高，並(bìng)在動力系統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台開發，並(bìng)形成小批量生産能力。

       燃料電池市場(chǎng)細分的高溫甲醇燃料電池的發展極具潛力。根據其工作特點和整車(chē)用需求，現階段的發展方向可能是中小功率的标準模組化系統。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。