甲醇汽车的应用技术及发展趋势分析

白秀军

（山西省高质量转型发展研究院，山西 太原 030002）

引言

我国三大基础能源的特征是缺油、少气、富煤[1]。2019年，我国原油对外依存度高达70%，天然气对外依存度超过40%。而我国汽车燃油消费占总石油消费量的一半以上，随着汽车工业的不断发展，这个比例还将不断增大。同时，传统燃油车尾气排放所产生的空气污染问题也越来越严重。随着能源危机的压力和环保要求的日益提高，我国汽车工业将向动力多元化和燃料多元化转变[2]。

我国政府非常重视新型、清洁、替代能源的发展。2012年工业和信息化部发布《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》工信部节〔2012〕42号文件，全国四省一市（山西省、陕西省、贵州省、甘肃省和上海市）陆续开展甲醇汽车试点，正式将甲醇汽车推向市场。通过多年的试点运行，全部通过国家验收，证明了甲醇汽车在经济性、环保型、安全性、适用性、可靠性方面已经通过了市场的检验，并形成了成熟的甲醇汽车技术体系，具备了大规模推广应用的基础。

2019年，工信部会同发改委等八部委发布了《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》（工信部联节〔2019〕61号）文件。《指导意见》全面揭示和启动了我国甲醇汽车的推广应用，将进一步促进我国工业领域动力燃烧和热力燃烧应用甲醇燃料的全面推进。其中第五条指出“鼓励和支持企业研发甲醇混合动力汽车、甲醇增程式电动汽车、甲醇燃料电池汽车产品。加快甲醇汽车科研成果转化及产业化应用”，给新一代甲醇汽车的发展指明了方向。

1 甲醇燃料的性能特点

1.1 甲醇的理化性质

甲醇是一种无色、透明、高度挥发、易燃且具有水溶性的液体[1]。甲醇的分子式为CH3OH，自身含氧量50%，有利于燃料的完全燃烧。既能提高热效率，又可实现机内净化和降低CO、HC和NOx等常规气体排放；沸点为64.7 ℃，低于汽油，易与空气混合；甲醇的着火界限为7.3%～36.9%，比汽油更容易着火；甲醇的辛烷值为 110，高于汽油，抗爆性好，有利于提高发动机的压缩比，提升效率；甲醇易溶于水、易降解，并且不会对土壤、河流等产生污染；甲醇在常温下为液体，运输、存储和加注都十分便利。

1.2 甲醇对部分金属有腐蚀性

甲醇含氧量高，具有较强的化学活性。甲醇氧化时会产生微量的有机酸，对部分有色金属材料如铝、铜、铅、锌等产生酸性腐蚀和电化学腐蚀。因此要在甲醇燃料中加入腐蚀抑制剂、缓蚀剂、抗氧稳定剂等添加剂[1]，以减弱对金属的腐蚀作用。甲醇燃烧后排放的水蒸气增大，此外还有甲酸等酸性物质，两者共同作用加速对排气管道尤其是焊接处的腐蚀，因此排气管道应尽量采用模压一体成型技术减少焊接。

1.3 甲醇对橡胶和塑料有溶胀作用

甲醇是一种极性有机溶剂，会使塑料件发生溶胀、变黏；使橡胶件发生溶胀、变硬、变脆等提前老化现象。甲醇的溶胀作用易使燃料供给系统中的橡胶塑料件提前老化，引起密封不严、漏油等现象[1]。因此要在甲醇燃料中添加抗溶胀剂，相关的涉醇部件也要使用改性橡胶和改性塑料等有耐醇性的专用部件。如密封垫圈使用紫铜垫圈；油泵采用有较强甲醇耐腐蚀性的磷脱氧铜作为油泵转子；油箱和油管要使用四丙氟橡胶和氯丁橡胶等耐醇橡胶；油泵滤网和支架要使用抗醇塑料等[1]。

1.4 甲醇汽化潜热大，发动机低温不易启动

甲醇的汽化潜热为1109 kJ/kg，是汽油（310 kJ/kg）的3.7倍，在汽化时需要吸收更多的热量。甲醇在进入发动机汽缸汽化后会引起缸内温度下降，进一步降低甲醇的挥发性能，使混合气的浓度很难达到到最低着火极限，尤其是在冬季低温时造成启动困难。需要通过一些技术措施解决甲醇汽车低温冷启动困难的问题。

1.5 甲醇生产技术成熟且资源丰富

我国主要采用煤炭生产甲醇，甲醇不仅可以利用高硫劣质煤和焦炉煤气生产，而且还可以由氮肥厂联产生产。煤基燃料甲醇具有良好的燃料特性、丰富的生产原料、成熟的技术以及已具有相当规模的基本生产设施等优势。因此，将甲醇作为交通替代燃料，符合我国国情，而且具有很好的可持续性。

2 甲醇汽车的3种技术路线

2.1 以吉利汽车为代表的汽油/甲醇（M100）燃烧技术

发动机采用汽油和甲醇两套燃料供给系统。用汽油启动，确保常温和低温环境状态下正常启动，稳定运作后自动切换为甲醇燃料稳定运行。通过电子控制系统自动识别车辆运行状态，在两种燃料中平顺切换，使发动机平稳运转、车辆平稳运行。这种方式很好的解决了甲醇汽车低温冷启动困难的问题，但有两套燃料供给系统，增加了汽车结构。

2.2 以一汽技术中心为代表的甲醇（M85）燃烧技术

发动机采用单一燃料供给系统，需要对发动机进行适应性改动，采用适合甲醇燃烧的火花塞、大流量耐醇喷油嘴、无刷电机耐醇泵，并使用甲醇发动机专用润滑油等。

通过对燃烧系统改进、燃料改性、进气加热、燃料加热、优化控制策略等方法来解决冷启动问题：在发动机进气道增设加热装置，提高进气温度；使用有加热功能的燃料喷射器，将燃料加热后再进行混合燃烧；安装进气滚流阀，提高滚流比，促进燃料和空气充分混合；提高发动机的压缩比，可有效提高缸内温度，提高混合气的着火性能；优化控制策略，寻找最佳燃油喷射量和点火提前角；在甲醇中加入15%的汽油，并加入石油醚、异戊烷、C4-C8轻馏分烷烃等添加剂，增强燃料的低温挥发性能，可大幅提甲醇高混合气浓度。

2.3 天津大学的柴油/甲醇（M100）组合燃烧技术

甲醇本身不易被压燃，所以在柴油机上使用甲醇燃料时需要先用柴油启动，待发动机温度达到设计要求后，甲醇通过进气道喷入由柴油引燃，使两者在柴油机内开始进行柴油/甲醇二元燃料混合燃烧[3]。发动机采柴油和甲醇两套燃料供给系统，甲醇的喷射时间和喷射量由电子控制系统自动控制，两个系统协同工作。柴油/甲醇双燃料组合燃烧技术的甲醇替代率为35%～45%，可大幅度提升燃料经济性，且发动机的动力性与原机无异，加速性能甚至超过原机。加入甲醇混合燃烧后排放水平大幅度改善，可以实现低碳、清洁的无炭烟排放。

3 甲醇汽车的发展趋势

甲醇燃料作为汽油和柴油的替代燃料参与内燃机的燃烧，受到内燃机热效率转化的限制，未能充分发掘甲醇燃料的热值。若将甲醇作为燃料电池的原料，直接将化学能转换为电能，可以大幅提高能量转化效率。使用甲醇燃料电池作为动力的汽车在使用过程中没有燃烧，不排放有害尾气，只排放二氧化碳和水，环保无污染[4]。因此，甲醇燃料电池汽车将是甲醇汽车未来发展的重要方向。

2020年9月21日，财政部等五部委联合下发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》（财建〔2020〕394号）文件。2020年10月27日，《节能与新能源汽车技术路线2.0》正式发布，确定了2025年燃料电池汽车保有量达到10万辆、2030～2035年燃料电池汽车保有量达到100万辆的发展目标。燃料电池汽车产业正受到国家层面的高度重视，在国家政策的驱动下，我国燃料电池汽车将会进入发展快车道[3]。

甲醇燃料电池汽车的核心是高效安全便捷的甲醇燃料电池。甲醇燃料电池有两个技术方向：一是甲醇重整制氢技术，将甲醇进行重整产生氢气，再将提纯后的氢气用于燃料电池，实质上属于氢燃料电池的一种；二是直接甲醇燃料电池，甲醇直接参与电化学反应，没有中间制氢的过程，属于质子交换膜燃料电池的一种。

3.1 甲醇重整制氢燃料电池技术

甲醇是氢能很好的载体，含氢量最高。甲醇催化重整制氢所需的条件低，转化过程简单高效，能产生高体积比的氢气。通过携带能量密度高的甲醇来移动制氢、车载制氢，可以做到即产即用，用氢不见氢。

机械故障包括很多种形式，跳闸铁心动作的冲击力缺乏即为其中一类，如铁心卡滞和跳闸铁心的脱落，一旦触头出现焊接或者机械的卡滞，在传动的部分就会发生故障，例如：销子脱落等问题，导致这些故障的原因可以从以下几个方面进行分析：

甲醇重整制氢燃料电池的原理是：甲醇和脱盐水溶液在220～280 ℃，在催化剂作用下转化为以氢气和二氧化碳为主的重整混合气。混合气通过提纯装置可以得到纯度达99.9999%的氢气。氢气进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下氢分子分解成两个质子与两个电子，其中质子通过质子交换膜到达阴极，电子经由外电路到达阴极，完成做功过程。氧气则由阴极进入燃料电池，在阴极催化剂作用下，质子、氧气及电子，发生反应形成水分子。

3.2 直接甲醇燃料电池技术

直接甲醇燃料电池的作用原理是：甲醇溶液从电池的阳极通过，在催化层处被氧化转换成二氧化碳、质子和电子。二氧化碳气体以气泡的形式在阳极流场内随甲醇溶液排出。质子透过质子交换膜到达阴极与氧气发生还原反应生成水。电子通过外电路到达阴极，完成做功过程。

以上两种甲醇燃料电池的技术路线，都需要智能控制系统对氢、氧、水、热、电、信号等进行综合控制管理，包括制氢系统与发电系统之间的调气子系统、控制氧气的泵系统、换热系统、热回收利用系统、生成水回收系统、电的导流输出控制系统、各部件信号传输系统及整体软件协调控制系统等，使甲醇燃料电池达到最高的效率，实现便捷的电力供应。

3.3 甲醇燃料电池的技术优势及难点

3.3.1 技术优势

1）发电效率高：若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上，能量转效率高，大大超过汽油、柴油内燃机效率。

2）便捷性：燃料补给方便快捷，在常温常压下只要几分钟便可以完成加注甲醇，还避免了纯电动汽车充电的漫长等待。

4）环保性：甲醇燃料电池汽车排放仅为二氧化碳和水，排放的二氧化碳还可用于回收再利用。

5）噪音低：运行甲醇燃料电池系统，噪音在60 dB以下，比较安静。

6）安全性：甲醇燃料电池系统工作无传动部件和高压部件，不存在爆炸等不安全因素[4]。甲醇是普遍应用的化工原料，按操作规范使用甲醇是安全的。

3.3.2 技术难点

1）寻求高效低成本的催化剂：燃料电池的阳极要用铂作为反应催化剂，但铂产量小且价格昂贵，而且在低温条件下性能不高，不利于大规模推广。需要寻求更加高效低成本的阳极催化剂。

2）防止甲醇从阳极向阴极转移：直接甲醇燃料电池中传统质子交换膜燃料对甲醇有较高的渗透率，甲醇可通过质子交换膜向阴极渗透。这样不但会降低甲醇的利用率，还会造成氧电极极化的大幅度增加，降低燃料电池的性能。开发能够大幅度降低甲醇渗透率的质子交换膜十分关键，还要开发对甲醇呈惰性的阴极氧还原催化剂，减少渗透到阴极的甲醇造成氧电极极化。

4 总结

甲醇作为替代燃料在内燃机汽车上的应用技术已经十分成熟，可以有效地降低汽车有害尾气排放，改善空气质量，缓解石化能源的供应压力。甲醇燃料电池汽车的技术路径已经打通，国内已有企业成功研发出该动力车型。但甲醇燃料电池汽车目前还处于起步阶段，需要进一步完善技术，解决量产、降低成本、提高可靠性和一致性等问题。甲醇燃料电池汽车具有能量转化效率高、洁净环保、噪音低、燃料使用便利等诸多优势，是甲醇作为汽车动力的进一步升级，将会成为甲醇汽车未来重要的发展方向。

将甲醇作为交通替代燃料，符合我国的具体国情，且具有很好的可持续性。甲醇燃料的运输、存储和加注和汽柴油一样方便快捷，还可充分利用现有加油站。同现在推广的各种新能源、清洁能源相比，甲醇燃料的输配系统最易解决，成本最低。

在国家政策扶持下，依托中国的甲醇供应体系，随着技术的不断完善和突破，甲醇汽车及甲醇燃料电池汽车的发展会逐步发力，走出一条燃料多元化和动力多元化的新路，发展成为中国汽车低碳清洁动力体系的重要部分。