甲醇汽車的應用技術及發展趨勢分析

白秀軍

（山西省高質量轉型發展研究院，山西 太原 030002）

引言

我國三大基礎能源的特征是缺油、少氣、富煤[1]。2019年，我國原油對外依存度高達70%，天然氣對外依存度超過40%。而我國汽車燃油消費占總石油消費量的一半以上，隨著汽車工業的不斷發展，這個比例還將不斷增大。同時，傳統燃油車尾氣排放所產生的空氣污染問題也越來越嚴重。隨著能源危機的壓力和環保要求的日益提高，我國汽車工業將向動力多元化和燃料多元化轉變[2]。

我國政府非常重視新型、清潔、替代能源的發展。2012年工業和信息化部發布《關于開展甲醇汽車試點工作的通知》工信部節〔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）陸續開展甲醇汽車試點，正式將甲醇汽車推向市場。通過多年的試點運行，全部通過國家驗收，證明了甲醇汽車在經濟性、環保型、安全性、適用性、可靠性方面已經通過了市場的檢驗，并形成了成熟的甲醇汽車技術體系，具備了大規模推廣應用的基礎。

2019年，工信部會同發改委等八部委發布了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》（工信部聯節〔2019〕61號）文件。《指導意見》全面揭示和啟動了我國甲醇汽車的推廣應用，將進一步促進我國工業領域動力燃燒和熱力燃燒應用甲醇燃料的全面推進。其中第五條指出“鼓勵和支持企業研發甲醇混合動力汽車、甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產品。加快甲醇汽車科研成果轉化及產業化應用”，給新一代甲醇汽車的發展指明了方向。

1 甲醇燃料的性能特點

1.1 甲醇的理化性質

甲醇是一種無色、透明、高度揮發、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，又可實現機內凈化和降低CO、HC和NOx等常規氣體排放；沸點為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，有利于提高發動機的壓縮比，提升效率；甲醇易溶于水、易降解，并且不會對土壤、河流等產生污染；甲醇在常溫下為液體，運輸、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，具有較強的化學活性。甲醇氧化時會產生微量的有機酸，對部分有色金屬材料如鋁、銅、鉛、鋅等產生酸性腐蝕和電化學腐蝕。因此要在甲醇燃料中加入腐蝕抑制劑、緩蝕劑、抗氧穩定劑等添加劑[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，兩者共同作用加速對排氣管道尤其是焊接處的腐蝕，因此排氣管道應盡量采用模壓一體成型技術減少焊接。

1.3 甲醇對橡膠和塑料有溶脹作用

甲醇是一種極性有機溶劑，會使塑料件發生溶脹、變黏；使橡膠件發生溶脹、變硬、變脆等提前老化現象。甲醇的溶脹作用易使燃料供給系統中的橡膠塑料件提前老化，引起密封不嚴、漏油等現象[1]。因此要在甲醇燃料中添加抗溶脹劑，相關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；油泵采用有較強甲醇耐腐蝕性的磷脫氧銅作為油泵轉子；油箱和油管要使用四丙氟橡膠和氯丁橡膠等耐醇橡膠；油泵濾網和支架要使用抗醇塑料等[1]。

1.4 甲醇汽化潛熱大，發動機低溫不易啟動

甲醇的汽化潛熱為1109 kJ/kg，是汽油（310 kJ/kg）的3.7倍，在汽化時需要吸收更多的熱量。甲醇在進入發動機汽缸汽化后會引起缸內溫度下降，進一步降低甲醇的揮發性能，使混合氣的濃度很難達到到最低著火極限，尤其是在冬季低溫時造成啟動困難。需要通過一些技術措施解決甲醇汽車低溫冷啟動困難的問題。

1.5 甲醇生產技術成熟且資源豐富

我國主要采用煤炭生產甲醇，甲醇不僅可以利用高硫劣質煤和焦爐煤氣生產，而且還可以由氮肥廠聯產生產。煤基燃料甲醇具有良好的燃料特性、豐富的生產原料、成熟的技術以及已具有相當規模的基本生產設施等優勢。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性。

2 甲醇汽車的3種技術路線

2.1 以吉利汽車為代表的汽油/甲醇（M100）燃燒技術

發動機采用汽油和甲醇兩套燃料供給系統。用汽油啟動，確保常溫和低溫環境狀態下正常啟動，穩定運作后自動切換為甲醇燃料穩定運行。通過電子控制系統自動識別車輛運行狀態，在兩種燃料中平順切換，使發動機平穩運轉、車輛平穩運行。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，增加了汽車結構。

2.2 以一汽技術中心為代表的甲醇（M85）燃燒技術

發動機采用單一燃料供給系統，需要對發動機進行適應性改動，采用適合甲醇燃燒的火花塞、大流量耐醇噴油嘴、無刷電機耐醇泵，并使用甲醇發動機專用潤滑油等。

通過對燃燒系統改進、燃料改性、進氣加熱、燃料加熱、優化控制策略等方法來解決冷啟動問題：在發動機進氣道增設加熱裝置，提高進氣溫度；使用有加熱功能的燃料噴射器，將燃料加熱后再進行混合燃燒；安裝進氣滾流閥，提高滾流比，促進燃料和空氣充分混合；提高發動機的壓縮比，可有效提高缸內溫度，提高混合氣的著火性能；優化控制策略，尋找最佳燃油噴射量和點火提前角；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，增強燃料的低溫揮發性能，可大幅提甲醇高混合氣濃度。

2.3 天津大學的柴油/甲醇（M100）組合燃燒技術

甲醇本身不易被壓燃，所以在柴油機上使用甲醇燃料時需要先用柴油啟動，待發動機溫度達到設計要求后，甲醇通過進氣道噴入由柴油引燃，使兩者在柴油機內開始進行柴油/甲醇二元燃料混合燃燒[3]。發動機采柴油和甲醇兩套燃料供給系統，甲醇的噴射時間和噴射量由電子控制系統自動控制，兩個系統協同工作。柴油/甲醇雙燃料組合燃燒技術的甲醇替代率為35%～45%，可大幅度提升燃料經濟性，且發動機的動力性與原機無異，加速性能甚至超過原機。加入甲醇混合燃燒后排放水平大幅度改善，可以實現低碳、清潔的無炭煙排放。

3 甲醇汽車的發展趨勢

甲醇燃料作為汽油和柴油的替代燃料參與內燃機的燃燒，受到內燃機熱效率轉化的限制，未能充分發掘甲醇燃料的熱值。若將甲醇作為燃料電池的原料，直接將化學能轉換為電能，可以大幅提高能量轉化效率。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，環保無污染[4]。因此，甲醇燃料電池汽車將是甲醇汽車未來發展的重要方向。

2020年9月21日，財政部等五部委聯合下發《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》（財建〔2020〕394號）文件。2020年10月27日，《節能與新能源汽車技術路線2.0》正式發布，確定了2025年燃料電池汽車保有量達到10萬輛、2030～2035年燃料電池汽車保有量達到100萬輛的發展目標。燃料電池汽車產業正受到國家層面的高度重視，在國家政策的驅動下，我國燃料電池汽車將會進入發展快車道[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技術方向：一是甲醇重整制氫技術，將甲醇進行重整產生氫氣，再將提純后的氫氣用于燃料電池，實質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反應，沒有中間制氫的過程，屬于質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

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，轉化過程簡單高效，能產生高體積比的氫氣。通過攜帶能量密度高的甲醇來移動制氫、車載制氫，可以做到即產即用，用氫不見氫。

機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，一旦觸頭出現焊接或者機械的卡滯，在傳動的部分就會發生故障，例如：銷子脫落等問題，導致這些故障的原因可以從以下幾個方面進行分析：

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 ℃，在催化劑作用下轉化為以氫氣和二氧化碳為主的重整混合氣。混合氣通過提純裝置可以得到純度達99.9999%的氫氣。氫氣進入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下氫分子分解成兩個質子與兩個電子，其中質子通過質子交換膜到達陰極，電子經由外電路到達陰極，完成做功過程。氧氣則由陰極進入燃料電池，在陰極催化劑作用下，質子、氧氣及電子，發生反應形成水分子。

3.2 直接甲醇燃料電池技術

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換成二氧化碳、質子和電子。二氧化碳氣體以氣泡的形式在陽極流場內隨甲醇溶液排出。質子透過質子交換膜到達陰極與氧氣發生還原反應生成水。電子通過外電路到達陰極，完成做功過程。

以上兩種甲醇燃料電池的技術路線，都需要智能控制系統對氫、氧、水、熱、電、信號等進行綜合控制管理，包括制氫系統與發電系統之間的調氣子系統、控制氧氣的泵系統、換熱系統、熱回收利用系統、生成水回收系統、電的導流輸出控制系統、各部件信號傳輸系統及整體軟件協調控制系統等，使甲醇燃料電池達到最高的效率，實現便捷的電力供應。

3.3 甲醇燃料電池的技術優勢及難點

3.3.1 技術優勢

1）發電效率高：若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上，能量轉效率高，大大超過汽油、柴油內燃機效率。

2）便捷性：燃料補給方便快捷，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：運行甲醇燃料電池系統，噪音在60 dB以下，比較安靜。

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

3.3.2 技術難點

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催化劑，但鉑產量小且價格昂貴，而且在低溫條件下性能不高，不利于大規模推廣。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移：直接甲醇燃料電池中傳統質子交換膜燃料對甲醇有較高的滲透率，甲醇可通過質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。開發能夠大幅度降低甲醇滲透率的質子交換膜十分關鍵，還要開發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

甲醇作為替代燃料在內燃機汽車上的應用技術已經十分成熟，可以有效地降低汽車有害尾氣排放，改善空氣質量，緩解石化能源的供應壓力。甲醇燃料電池汽車的技術路徑已經打通，國內已有企業成功研發出該動力車型。但甲醇燃料電池汽車目前還處于起步階段，需要進一步完善技術，解決量產、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化效率高、潔凈環保、噪音低、燃料使用便利等諸多優勢，是甲醇作為汽車動力的進一步升級，將會成為甲醇汽車未來重要的發展方向。

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性。甲醇燃料的運輸、存儲和加注和汽柴油一樣方便快捷，還可充分利用現有加油站。同現在推廣的各種新能源、清潔能源相比，甲醇燃料的輸配系統最易解決，成本最低。

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