氫能商用車風口：車規(guī)級甲醇重整制氫動力系統(tǒng)技術

霍永占 文

世界各國都面臨著能源和環(huán)境問題，而氫能被研究者認為是最有望解決能源和環(huán)境問題的清潔燃料。在碳達峰碳中和背景下，我國近期發(fā)布了《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》。規(guī)劃指出：有序推進交通領域氫能示范應用車，鼓勵發(fā)展綠氫轉綠醇和綠氨，探索加氫站內制氫加氫一體化新模式。目前我國氫能在交通領域的應用現(xiàn)狀還存在諸多痛點，主要集中在儲運、加注方面。

近年來，氫能源汽車發(fā)展迅速，截至2020年我國已有 800 輛氫燃料電池公交車在22個城市推廣運行。但氫能也有其短板: 氫氣具有易燃、易爆、易泄漏和爆炸范圍寬等特性，這些特性導致了氫氣運輸和存儲成本高昂，加氫站屬于氫氣存儲和供應環(huán)節(jié)，其建設和維護成本均遠遠高于加油站；搭載了多個高壓儲氫罐的氫能源汽車存在一定的安全隱患。常規(guī)加氫式燃料電池環(huán)保、效率高，但氫氣的壓縮、儲存和運輸面臨的安全隱患與高昂成本成為制約氫燃料電池推廣應用的主要障礙。為推進氫能源汽車的進步和發(fā)展，如何降低氫氣制取成本和解決氫氣短板問題顯得尤為重要。

甲醇重整在線制氫技術優(yōu)勢

圖1 氫能在交通領域的應用

圖2 氫能“制儲運加”體系面臨問題

圖3 制氫技術路線

氫氣的制取方法主要有水電解制氫、煤制氫、生物法制氫、烴類制氫和甲醇重整制氫等方法。其中甲醇重整制氫反應溫度低、能耗少、氫氣產率高、生成物污染少，并且甲醇具有價廉、易得、運輸存儲方便安全等優(yōu)勢；同時，由于甲醇是液體，可以最大程度地利用現(xiàn)有基礎設施，如加油站及其配套設備。因此，甲醇作為一種理想的氫氣載體，在線甲醇水蒸氣重整技術將會是氫能短板的一個解決方案。但是，氫能源汽車的能源補給方式由原先的加氫轉換成加甲醇水溶液，這種設想還存在著理論和實踐上的難點。采用車載甲醇重整制氫是燃料電池汽車氫氣制取、運輸、分配及加氫等環(huán)節(jié)存在問題的解決方案之一。

當前甲醇可以以煤、天然氣為原料制取，未來可以先用太陽能、風能制氫，再與二氧化碳反應制取，或太陽能光催化二氧化碳和水制取，就形成了綠色甲醇。如今我國甲醇產能已達世界最高，至少為8 000萬t/年。甲醇是天然的氫載體，其含氫量高，1 kg甲醇可產生0.125 kg氫氣；易于儲存，甲醇在常溫常壓下為液態(tài)，儲運無需低溫或加壓；安全性高，甲醇在揮發(fā)、燃爆等方面與常規(guī)化石燃料相比安全系數(shù)最高，而且用甲醇作為儲氫載體的成本具有較大優(yōu)勢。因此，在氫氣制取與儲輸問題尚未得到有效解決前，采用車載甲醇重整制氫是燃料電池汽車氫氣制取、運輸、分配及加氫等環(huán)節(jié)存在問題的理想解決方案之一。

甲醇重整制氫系統(tǒng)關鍵技術

甲醇重整制氫微反應系統(tǒng)通常由供料單元、汽化蒸發(fā)單元、重整反應單元以及富氫氣體后處理單元等多個模塊組成。其中，供料單元是甲醇重整制氫反應系統(tǒng)的前端單元，為整個反應系統(tǒng)供應所需的原料，主要包括氣源、儲液罐和輸液泵。氣源一般為還原性氣體或惰性氣體，用于激活初次使用的催化劑。反應器精確泵送反應所需的甲醇水溶液。汽化蒸發(fā)單元是微反應系統(tǒng)的先行單元，其將液態(tài)原料加熱至氣態(tài)，并進行充分的預加熱，使進入反應區(qū)域的氣體達到或接近反應所需溫度，保證反應充分、高效的進行。

重整反應單元是微反應系統(tǒng)的核心，甲醇和水的混合溶液通過汽化蒸發(fā)單元形成的高溫蒸汽在此單元進行重整反應產生富氫氣體，該單元通常由具有微通道結構的催化劑載體、催化層和供熱模塊3部分組成。甲醇重整反應是吸熱反應，因此相應的供熱模塊是必不可少的，一般需要利用車載系統(tǒng)中氫燃料電池或氫內燃機的余熱。重整反應產生的氣體一般為：H(體積分數(shù)70%～74%)、CO(體積分數(shù)20%～25%)，并含少量CO和HO，若為燃料電池提供則不能直接使用。通常需要后處理模塊(CO選擇性處理、氣液分離、氫氣純化等)對其做相應的后處理，最終獲得純度高達99.99%甚至99.999%的高純、超純H才能滿足氫燃料電池等氫需應用場景的使用需求。

甲醇重整制氫+燃料電池動力系統(tǒng)

圖4 氫能和甲醇應用體系

圖5 甲醇在線制氫重整器

圖6 甲醇重整反應單元

圖7 甲醇重整制氫+質子膜燃料電池

甲醇重整燃料電池發(fā)電是短期內基于PEMFC供氫需求最可能商業(yè)化的發(fā)電技術之一，其具備以下優(yōu)勢：在技術領域方面，重整效率較高，保障了燃料電池的發(fā)電效率，系統(tǒng)余熱可得到有效利用，有利于能源綜合利用和可持續(xù)發(fā)展。此外，對環(huán)境友好且噪聲污染較低。

基于新型流道結構的微反應器通過提高傳質傳熱和流體分布性能等提升了甲醇重整反應器的整體性能。比體積與質量小、實用性與便攜性高、高效緊湊集成化的甲醇反應器協(xié)同耦合氫燃料電池設計，強化系統(tǒng)集成控制及高效的熱管理策略是提升車規(guī)級甲醇重整氫燃料電池技術的關鍵。

甲醇重整制氫+氫內燃機動力系統(tǒng)

目前商用車領域燃氫內燃機發(fā)展勢頭強勁，但同樣氫的加注存在痛點。以色列理工大學L. Tartakovsky采用重整模擬氣體和實際重整反應器等方式對甲醇重整制氫內燃機進行系統(tǒng)研究，采用甲醇重整的模擬氣體或實際高壓重整氣體，研究結果表明，由于重整器制備的是混合氣體，有CO等而非純氫，降低燃燒速度優(yōu)化了燃燒模式，使得甲醇重整制氫內燃機的HC、CO、NOx、碳煙等有害排放物比汽油機低，熱效率在不同功率范圍內比汽油機高19%～30%。另外，供給氫內燃機的氫不要求氫純度達到燃料電池的級別，一定程度上為甲醇重整制氫系統(tǒng)降低了技術難度。

圖8 甲醇重整制氫+氫燃料內燃機

總結展望

近期，為減少對化石能源的依賴和降低環(huán)境污染，以氫燃料電池、氫內燃機為動力系統(tǒng)的技術不斷發(fā)展。常溫下作為液體燃料，加注簡便、易于儲存和運輸。隨著車規(guī)級甲醇重整在線制氫技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展完善，利用液體燃料尤其甲醇原位重整制氫結合燃料電池、氫內燃機可作為一個合理且經(jīng)濟的過渡解決方案。此項技術的發(fā)展在一定程度上可以解決當下氫氣儲運、加注的痛點，同時在碳中和目標下可考慮結合CO捕集與封存+太陽能和風能等可再生能源制備的“綠氫”，由類似“液態(tài)陽光”方式制取甲醇，通過甲醇重整在線制氫使車載氫能動力系統(tǒng)，如氫燃料電池、氫內燃機等真正意義上使用上零碳綠氫。