白秀軍

（山西省高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展研究院，山西 太原 030002）

引言

我國三大基礎(chǔ)能源的特征是缺油、少氣、富煤[1]。2019年，我國原油對外依存度高達(dá)70%，天然氣對外依存度超過40%。而我國汽車燃油消費(fèi)占總石油消費(fèi)量的一半以上，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，這個(gè)比例還將不斷增大。同時(shí)，傳統(tǒng)燃油車尾氣排放所產(chǎn)生的空氣污染問題也越來越嚴(yán)重。隨著能源危機(jī)的壓力和環(huán)保要求的日益提高，我國汽車工業(yè)將向動力多元化和燃料多元化轉(zhuǎn)變[2]。

我國政府非常重視新型、清潔、替代能源的發(fā)展。2012年工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于開展甲醇汽車試點(diǎn)工作的通知》工信部節(jié)〔2012〕42號文件，全國四省一市（山西省、陜西省、貴州省、甘肅省和上海市）陸續(xù)開展甲醇汽車試點(diǎn)，正式將甲醇汽車推向市場。通過多年的試點(diǎn)運(yùn)行，全部通過國家驗(yàn)收，證明了甲醇汽車在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保型、安全性、適用性、可靠性方面已經(jīng)通過了市場的檢驗(yàn)，并形成了成熟的甲醇汽車技術(shù)體系，具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2019年，工信部會同發(fā)改委等八部委發(fā)布了《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕61號）文件?！吨笇?dǎo)意見》全面揭示和啟動了我國甲醇汽車的推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)我國工業(yè)領(lǐng)域動力燃燒和熱力燃燒應(yīng)用甲醇燃料的全面推進(jìn)。其中第五條指出“鼓勵(lì)和支持企業(yè)研發(fā)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(chǎn)品。加快甲醇汽車科研成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，給新一代甲醇汽車的發(fā)展指明了方向。

1 甲醇燃料的性能特點(diǎn)

1.1 甲醇的理化性質(zhì)

甲醇是一種無色、透明、高度揮發(fā)、易燃且具有水溶性的液體[1]。甲醇的分子式為CH3OH，自身含氧量50%，有利于燃料的完全燃燒。既能提高熱效率，又可實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化和降低CO、HC和NOx等常規(guī)氣體排放；沸點(diǎn)為64.7 ℃，低于汽油，易與空氣混合；甲醇的著火界限為7.3%～36.9%，比汽油更容易著火；甲醇的辛烷值為 110，高于汽油，抗爆性好，有利于提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，提升效率；甲醇易溶于水、易降解，并且不會對土壤、河流等產(chǎn)生污染；甲醇在常溫下為液體，運(yùn)輸、存儲和加注都十分便利。

1.2 甲醇對部分金屬有腐蝕性

甲醇含氧量高，具有較強(qiáng)的化學(xué)活性。甲醇氧化時(shí)會產(chǎn)生微量的有機(jī)酸，對部分有色金屬材料如鋁、銅、鉛、鋅等產(chǎn)生酸性腐蝕和電化學(xué)腐蝕。因此要在甲醇燃料中加入腐蝕抑制劑、緩蝕劑、抗氧穩(wěn)定劑等添加劑[1]，以減弱對金屬的腐蝕作用。甲醇燃燒后排放的水蒸氣增大，此外還有甲酸等酸性物質(zhì)，兩者共同作用加速對排氣管道尤其是焊接處的腐蝕，因此排氣管道應(yīng)盡量采用模壓一體成型技術(shù)減少焊接。

1.3 甲醇對橡膠和塑料有溶脹作用

甲醇是一種極性有機(jī)溶劑，會使塑料件發(fā)生溶脹、變黏；使橡膠件發(fā)生溶脹、變硬、變脆等提前老化現(xiàn)象。甲醇的溶脹作用易使燃料供給系統(tǒng)中的橡膠塑料件提前老化，引起密封不嚴(yán)、漏油等現(xiàn)象[1]。因此要在甲醇燃料中添加抗溶脹劑，相關(guān)的涉醇部件也要使用改性橡膠和改性塑料等有耐醇性的專用部件。如密封墊圈使用紫銅墊圈；油泵采用有較強(qiáng)甲醇耐腐蝕性的磷脫氧銅作為油泵轉(zhuǎn)子；油箱和油管要使用四丙氟橡膠和氯丁橡膠等耐醇橡膠；油泵濾網(wǎng)和支架要使用抗醇塑料等[1]。

1.4 甲醇汽化潛熱大，發(fā)動機(jī)低溫不易啟動

甲醇的汽化潛熱為1109 kJ/kg，是汽油（310 kJ/kg）的3.7倍，在汽化時(shí)需要吸收更多的熱量。甲醇在進(jìn)入發(fā)動機(jī)汽缸汽化后會引起缸內(nèi)溫度下降，進(jìn)一步降低甲醇的揮發(fā)性能，使混合氣的濃度很難達(dá)到到最低著火極限，尤其是在冬季低溫時(shí)造成啟動困難。需要通過一些技術(shù)措施解決甲醇汽車低溫冷啟動困難的問題。

1.5 甲醇生產(chǎn)技術(shù)成熟且資源豐富

我國主要采用煤炭生產(chǎn)甲醇，甲醇不僅可以利用高硫劣質(zhì)煤和焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)，而且還可以由氮肥廠聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)。煤基燃料甲醇具有良好的燃料特性、豐富的生產(chǎn)原料、成熟的技術(shù)以及已具有相當(dāng)規(guī)模的基本生產(chǎn)設(shè)施等優(yōu)勢。因此，將甲醇作為交通替代燃料，符合我國國情，而且具有很好的可持續(xù)性。

2 甲醇汽車的3種技術(shù)路線

2.1 以吉利汽車為代表的汽油/甲醇（M100）燃燒技術(shù)

發(fā)動機(jī)采用汽油和甲醇兩套燃料供給系統(tǒng)。用汽油啟動，確保常溫和低溫環(huán)境狀態(tài)下正常啟動，穩(wěn)定運(yùn)作后自動切換為甲醇燃料穩(wěn)定運(yùn)行。通過電子控制系統(tǒng)自動識別車輛運(yùn)行狀態(tài)，在兩種燃料中平順切換，使發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、車輛平穩(wěn)運(yùn)行。這種方式很好的解決了甲醇汽車低溫冷啟動困難的問題，但有兩套燃料供給系統(tǒng)，增加了汽車結(jié)構(gòu)。

2.2 以一汽技術(shù)中心為代表的甲醇（M85）燃燒技術(shù)

發(fā)動機(jī)采用單一燃料供給系統(tǒng)，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改動，采用適合甲醇燃燒的火花塞、大流量耐醇噴油嘴、無刷電機(jī)耐醇泵，并使用甲醇發(fā)動機(jī)專用潤滑油等。

通過對燃燒系統(tǒng)改進(jìn)、燃料改性、進(jìn)氣加熱、燃料加熱、優(yōu)化控制策略等方法來解決冷啟動問題：在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道增設(shè)加熱裝置，提高進(jìn)氣溫度；使用有加熱功能的燃料噴射器，將燃料加熱后再進(jìn)行混合燃燒；安裝進(jìn)氣滾流閥，提高滾流比，促進(jìn)燃料和空氣充分混合；提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，可有效提高缸內(nèi)溫度，提高混合氣的著火性能；優(yōu)化控制策略，尋找最佳燃油噴射量和點(diǎn)火提前角；在甲醇中加入15%的汽油，并加入石油醚、異戊烷、C4-C8輕餾分烷烴等添加劑，增強(qiáng)燃料的低溫?fù)]發(fā)性能，可大幅提甲醇高混合氣濃度。

2.3 天津大學(xué)的柴油/甲醇（M100）組合燃燒技術(shù)

甲醇本身不易被壓燃，所以在柴油機(jī)上使用甲醇燃料時(shí)需要先用柴油啟動，待發(fā)動機(jī)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，甲醇通過進(jìn)氣道噴入由柴油引燃，使兩者在柴油機(jī)內(nèi)開始進(jìn)行柴油/甲醇二元燃料混合燃燒[3]。發(fā)動機(jī)采柴油和甲醇兩套燃料供給系統(tǒng)，甲醇的噴射時(shí)間和噴射量由電子控制系統(tǒng)自動控制，兩個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作。柴油/甲醇雙燃料組合燃燒技術(shù)的甲醇替代率為35%～45%，可大幅度提升燃料經(jīng)濟(jì)性，且發(fā)動機(jī)的動力性與原機(jī)無異，加速性能甚至超過原機(jī)。加入甲醇混合燃燒后排放水平大幅度改善，可以實(shí)現(xiàn)低碳、清潔的無炭煙排放。

3 甲醇汽車的發(fā)展趨勢

甲醇燃料作為汽油和柴油的替代燃料參與內(nèi)燃機(jī)的燃燒，受到內(nèi)燃機(jī)熱效率轉(zhuǎn)化的限制，未能充分發(fā)掘甲醇燃料的熱值。若將甲醇作為燃料電池的原料，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，可以大幅提高能量轉(zhuǎn)化效率。使用甲醇燃料電池作為動力的汽車在使用過程中沒有燃燒，不排放有害尾氣，只排放二氧化碳和水，環(huán)保無污染[4]。因此，甲醇燃料電池汽車將是甲醇汽車未來發(fā)展的重要方向。

2020年9月21日，財(cái)政部等五部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》（財(cái)建〔2020〕394號）文件。2020年10月27日，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》正式發(fā)布，確定了2025年燃料電池汽車保有量達(dá)到10萬輛、2030～2035年燃料電池汽車保有量達(dá)到100萬輛的發(fā)展目標(biāo)。燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正受到國家層面的高度重視，在國家政策的驅(qū)動下，我國燃料電池汽車將會進(jìn)入發(fā)展快車道[3]。

甲醇燃料電池汽車的核心是高效安全便捷的甲醇燃料電池。甲醇燃料電池有兩個(gè)技術(shù)方向：一是甲醇重整制氫技術(shù)，將甲醇進(jìn)行重整產(chǎn)生氫氣，再將提純后的氫氣用于燃料電池，實(shí)質(zhì)上屬于氫燃料電池的一種；二是直接甲醇燃料電池，甲醇直接參與電化學(xué)反應(yīng)，沒有中間制氫的過程，屬于質(zhì)子交換膜燃料電池的一種。

3.1 甲醇重整制氫燃料電池技術(shù)

甲醇是氫能很好的載體，含氫量最高。甲醇催化重整制氫所需的條件低，轉(zhuǎn)化過程簡單高效，能產(chǎn)生高體積比的氫氣。通過攜帶能量密度高的甲醇來移動制氫、車載制氫，可以做到即產(chǎn)即用，用氫不見氫。

機(jī)械故障包括很多種形式，跳閘鐵心動作的沖擊力缺乏即為其中一類，如鐵心卡滯和跳閘鐵心的脫落，一旦觸頭出現(xiàn)焊接或者機(jī)械的卡滯，在傳動的部分就會發(fā)生故障，例如：銷子脫落等問題，導(dǎo)致這些故障的原因可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

甲醇重整制氫燃料電池的原理是：甲醇和脫鹽水溶液在220～280 ℃，在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為以氫氣和二氧化碳為主的重整混合氣?；旌蠚馔ㄟ^提純裝置可以得到純度達(dá)99.9999%的氫氣。氫氣進(jìn)入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下氫分子分解成兩個(gè)質(zhì)子與兩個(gè)電子，其中質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子經(jīng)由外電路到達(dá)陰極，完成做功過程。氧氣則由陰極進(jìn)入燃料電池，在陰極催化劑作用下，質(zhì)子、氧氣及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子。

3.2 直接甲醇燃料電池技術(shù)

直接甲醇燃料電池的作用原理是：甲醇溶液從電池的陽極通過，在催化層處被氧化轉(zhuǎn)換成二氧化碳、質(zhì)子和電子。二氧化碳?xì)怏w以氣泡的形式在陽極流場內(nèi)隨甲醇溶液排出。質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)生成水。電子通過外電路到達(dá)陰極，完成做功過程。

以上兩種甲醇燃料電池的技術(shù)路線，都需要智能控制系統(tǒng)對氫、氧、水、熱、電、信號等進(jìn)行綜合控制管理，包括制氫系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)之間的調(diào)氣子系統(tǒng)、控制氧氣的泵系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、熱回收利用系統(tǒng)、生成水回收系統(tǒng)、電的導(dǎo)流輸出控制系統(tǒng)、各部件信號傳輸系統(tǒng)及整體軟件協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等，使甲醇燃料電池達(dá)到最高的效率，實(shí)現(xiàn)便捷的電力供應(yīng)。

3.3 甲醇燃料電池的技術(shù)優(yōu)勢及難點(diǎn)

3.3.1 技術(shù)優(yōu)勢

1）發(fā)電效率高：若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上，能量轉(zhuǎn)效率高，大大超過汽油、柴油內(nèi)燃機(jī)效率。

2）便捷性：燃料補(bǔ)給方便快捷，在常溫常壓下只要幾分鐘便可以完成加注甲醇，還避免了純電動汽車充電的漫長等待。

4）環(huán)保性：甲醇燃料電池汽車排放僅為二氧化碳和水，排放的二氧化碳還可用于回收再利用。

5）噪音低：運(yùn)行甲醇燃料電池系統(tǒng)，噪音在60 dB以下，比較安靜。

6）安全性：甲醇燃料電池系統(tǒng)工作無傳動部件和高壓部件，不存在爆炸等不安全因素[4]。甲醇是普遍應(yīng)用的化工原料，按操作規(guī)范使用甲醇是安全的。

3.3.2 技術(shù)難點(diǎn)

1）尋求高效低成本的催化劑：燃料電池的陽極要用鉑作為反應(yīng)催化劑，但鉑產(chǎn)量小且價(jià)格昂貴，而且在低溫條件下性能不高，不利于大規(guī)模推廣。需要尋求更加高效低成本的陽極催化劑。

2）防止甲醇從陽極向陰極轉(zhuǎn)移：直接甲醇燃料電池中傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料對甲醇有較高的滲透率，甲醇可通過質(zhì)子交換膜向陰極滲透。這樣不但會降低甲醇的利用率，還會造成氧電極極化的大幅度增加，降低燃料電池的性能。開發(fā)能夠大幅度降低甲醇滲透率的質(zhì)子交換膜十分關(guān)鍵，還要開發(fā)對甲醇呈惰性的陰極氧還原催化劑，減少滲透到陰極的甲醇造成氧電極極化。

4 總結(jié)

甲醇作為替代燃料在內(nèi)燃機(jī)汽車上的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可以有效地降低汽車有害尾氣排放，改善空氣質(zhì)量，緩解石化能源的供應(yīng)壓力。甲醇燃料電池汽車的技術(shù)路徑已經(jīng)打通，國內(nèi)已有企業(yè)成功研發(fā)出該動力車型。但甲醇燃料電池汽車目前還處于起步階段，需要進(jìn)一步完善技術(shù)，解決量產(chǎn)、降低成本、提高可靠性和一致性等問題。甲醇燃料電池汽車具有能量轉(zhuǎn)化效率高、潔凈環(huán)保、噪音低、燃料使用便利等諸多優(yōu)勢，是甲醇作為汽車動力的進(jìn)一步升級，將會成為甲醇汽車未來重要的發(fā)展方向。

將甲醇作為交通替代燃料，符合我國的具體國情，且具有很好的可持續(xù)性。甲醇燃料的運(yùn)輸、存儲和加注和汽柴油一樣方便快捷，還可充分利用現(xiàn)有加油站。同現(xiàn)在推廣的各種新能源、清潔能源相比，甲醇燃料的輸配系統(tǒng)最易解決，成本最低。

在國家政策扶持下，依托中國的甲醇供應(yīng)體系，隨著技術(shù)的不斷完善和突破，甲醇汽車及甲醇燃料電池汽車的發(fā)展會逐步發(fā)力，走出一條燃料多元化和動力多元化的新路，發(fā)展成為中國汽車低碳清潔動力體系的重要部分。