氢能商用车风口：车规级甲醇重整制氢动力系统技术

霍永占 文

世界各国都面临着能源和环境问题，而氢能被研究者认为是最有望解决能源和环境问题的清洁燃料。在碳达峰碳中和背景下，我国近期发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。规划指出：有序推进交通领域氢能示范应用车，鼓励发展绿氢转绿醇和绿氨，探索加氢站内制氢加氢一体化新模式。目前我国氢能在交通领域的应用现状还存在诸多痛点，主要集中在储运、加注方面。

近年来，氢能源汽车发展迅速，截至2020年我国已有 800 辆氢燃料电池公交车在22个城市推广运行。但氢能也有其短板: 氢气具有易燃、易爆、易泄漏和爆炸范围宽等特性，这些特性导致了氢气运输和存储成本高昂，加氢站属于氢气存储和供应环节，其建设和维护成本均远远高于加油站；搭载了多个高压储氢罐的氢能源汽车存在一定的安全隐患。常规加氢式燃料电池环保、效率高，但氢气的压缩、储存和运输面临的安全隐患与高昂成本成为制约氢燃料电池推广应用的主要障碍。为推进氢能源汽车的进步和发展，如何降低氢气制取成本和解决氢气短板问题显得尤为重要。

甲醇重整在线制氢技术优势

图1 氢能在交通领域的应用

图2 氢能“制储运加”体系面临问题

图3 制氢技术路线

氢气的制取方法主要有水电解制氢、煤制氢、生物法制氢、烃类制氢和甲醇重整制氢等方法。其中甲醇重整制氢反应温度低、能耗少、氢气产率高、生成物污染少，并且甲醇具有价廉、易得、运输存储方便安全等优势；同时，由于甲醇是液体，可以最大程度地利用现有基础设施，如加油站及其配套设备。因此，甲醇作为一种理想的氢气载体，在线甲醇水蒸气重整技术将会是氢能短板的一个解决方案。但是，氢能源汽车的能源补给方式由原先的加氢转换成加甲醇水溶液，这种设想还存在着理论和实践上的难点。采用车载甲醇重整制氢是燃料电池汽车氢气制取、运输、分配及加氢等环节存在问题的解决方案之一。

当前甲醇可以以煤、天然气为原料制取，未来可以先用太阳能、风能制氢，再与二氧化碳反应制取，或太阳能光催化二氧化碳和水制取，就形成了绿色甲醇。如今我国甲醇产能已达世界最高，至少为8 000万t/年。甲醇是天然的氢载体，其含氢量高，1 kg甲醇可产生0.125 kg氢气；易于储存，甲醇在常温常压下为液态，储运无需低温或加压；安全性高，甲醇在挥发、燃爆等方面与常规化石燃料相比安全系数最高，而且用甲醇作为储氢载体的成本具有较大优势。因此，在氢气制取与储输问题尚未得到有效解决前，采用车载甲醇重整制氢是燃料电池汽车氢气制取、运输、分配及加氢等环节存在问题的理想解决方案之一。

甲醇重整制氢系统关键技术

甲醇重整制氢微反应系统通常由供料单元、汽化蒸发单元、重整反应单元以及富氢气体后处理单元等多个模块组成。其中，供料单元是甲醇重整制氢反应系统的前端单元，为整个反应系统供应所需的原料，主要包括气源、储液罐和输液泵。气源一般为还原性气体或惰性气体，用于激活初次使用的催化剂。反应器精确泵送反应所需的甲醇水溶液。汽化蒸发单元是微反应系统的先行单元，其将液态原料加热至气态，并进行充分的预加热，使进入反应区域的气体达到或接近反应所需温度，保证反应充分、高效的进行。

重整反应单元是微反应系统的核心，甲醇和水的混合溶液通过汽化蒸发单元形成的高温蒸汽在此单元进行重整反应产生富氢气体，该单元通常由具有微通道结构的催化剂载体、催化层和供热模块3部分组成。甲醇重整反应是吸热反应，因此相应的供热模块是必不可少的，一般需要利用车载系统中氢燃料电池或氢内燃机的余热。重整反应产生的气体一般为：H(体积分数70%～74%)、CO(体积分数20%～25%)，并含少量CO和HO，若为燃料电池提供则不能直接使用。通常需要后处理模块(CO选择性处理、气液分离、氢气纯化等)对其做相应的后处理，最终获得纯度高达99.99%甚至99.999%的高纯、超纯H才能满足氢燃料电池等氢需应用场景的使用需求。

甲醇重整制氢+燃料电池动力系统

图4 氢能和甲醇应用体系

图5 甲醇在线制氢重整器

图6 甲醇重整反应单元

图7 甲醇重整制氢+质子膜燃料电池

甲醇重整燃料电池发电是短期内基于PEMFC供氢需求最可能商业化的发电技术之一，其具备以下优势：在技术领域方面，重整效率较高，保障了燃料电池的发电效率，系统余热可得到有效利用，有利于能源综合利用和可持续发展。此外，对环境友好且噪声污染较低。

基于新型流道结构的微反应器通过提高传质传热和流体分布性能等提升了甲醇重整反应器的整体性能。比体积与质量小、实用性与便携性高、高效紧凑集成化的甲醇反应器协同耦合氢燃料电池设计，强化系统集成控制及高效的热管理策略是提升车规级甲醇重整氢燃料电池技术的关键。

甲醇重整制氢+氢内燃机动力系统

目前商用车领域燃氢内燃机发展势头强劲，但同样氢的加注存在痛点。以色列理工大学L. Tartakovsky采用重整模拟气体和实际重整反应器等方式对甲醇重整制氢内燃机进行系统研究，采用甲醇重整的模拟气体或实际高压重整气体，研究结果表明，由于重整器制备的是混合气体，有CO等而非纯氢，降低燃烧速度优化了燃烧模式，使得甲醇重整制氢内燃机的HC、CO、NOx、碳烟等有害排放物比汽油机低，热效率在不同功率范围内比汽油机高19%～30%。另外，供给氢内燃机的氢不要求氢纯度达到燃料电池的级别，一定程度上为甲醇重整制氢系统降低了技术难度。

图8 甲醇重整制氢+氢燃料内燃机

总结展望

近期，为减少对化石能源的依赖和降低环境污染，以氢燃料电池、氢内燃机为动力系统的技术不断发展。常温下作为液体燃料，加注简便、易于储存和运输。随着车规级甲醇重整在线制氢技术的不断创新发展完善，利用液体燃料尤其甲醇原位重整制氢结合燃料电池、氢内燃机可作为一个合理且经济的过渡解决方案。此项技术的发展在一定程度上可以解决当下氢气储运、加注的痛点，同时在碳中和目标下可考虑结合CO捕集与封存+太阳能和风能等可再生能源制备的“绿氢”，由类似“液态阳光”方式制取甲醇，通过甲醇重整在线制氢使车载氢能动力系统，如氢燃料电池、氢内燃机等真正意义上使用上零碳绿氢。