高溫甲醇燃料電池的應(yīng)用研究

引言

       燃料電池是一種通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。其獨(dú)特的異相電催化反應(yīng)過程使得電化學(xué)反映在催化劑表面獲得較高的交換電流密度。而燃料電池的能量密度則主要取決于燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)的容量，可通過增加燃料罐體積或者數(shù)量獲得提升。燃料電池系統(tǒng)可以同時(shí)兼具高能量密度和高功率密度，這一特點(diǎn)是任何一種二次電池都不可能具備的，其根本原因在于封閉體系和開放式工作方式的本質(zhì)區(qū)別。同時(shí)兼具高能量和高功率的工況特性，恰恰是現(xiàn)代汽車對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的最基本技術(shù)要求。

       從本質(zhì)上看，二次電池是能量儲(chǔ)存裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。而燃料電池作為電能的生產(chǎn)裝置，其工作方式跟內(nèi)燃機(jī)比較類似。燃料電池的二次電池在工作方式上的本質(zhì)不同，決定了二次電池可能更適用于中小功率的儲(chǔ)能用于，而燃料電池則可能更適合較大功率的應(yīng)用。

       當(dāng)下國內(nèi)氫氧燃料電池的發(fā)展較為迅速，和五年前相比，各種性能指標(biāo)都有了大幅提高。比如，壽命和五年前相比提高了 300%，普遍達(dá)到了5000 h。產(chǎn)業(yè)鏈也初步建設(shè)起來，但是要推進(jìn)燃料電池行業(yè)的商業(yè)化，不單單要解決燃料電池的成本，同時(shí)還需要解決氫源成本等問題。中國雖然有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫，電解氫技術(shù)也相對(duì)成熟。但是氫氣的輸送、分配及加氫等環(huán)節(jié)尚存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，加氫站的關(guān)鍵設(shè)備還要進(jìn)口，導(dǎo)致成本較高，限制了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

       甲醇是國內(nèi)最易實(shí)現(xiàn)的氫源載體之一，甲醇可以通過重整的方式在線制備氫氣，從而為燃料電池汽車提供氫源，不僅解決了運(yùn)輸問題，并且在安全和經(jīng)濟(jì)方面也有一定的優(yōu)勢(shì)。使用過程中沒有NOx、SOx等污染物排出。

       高溫甲醇燃料電池正是采用甲醇水溶液為燃料的新能源電池，現(xiàn)階段有諸多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有排放優(yōu)勢(shì)，對(duì)比二次電池有續(xù)航優(yōu)勢(shì)，對(duì)比氫空燃料電池有燃料的儲(chǔ)運(yùn)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然高溫技術(shù)路線還存在一些挑戰(zhàn)。

1 高溫甲醇燃料電池的介紹

1.1 高溫甲醇燃料電池的原理

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)主要有3種技術(shù)路線：

       第1類技術(shù)是甲醇重整 + 除 CO 裝置 + 低溫電堆。技術(shù)特點(diǎn)是，通過催化劑，對(duì)甲醇重整產(chǎn)生的混合氣中的CO進(jìn)行選擇性氧化，使之變?yōu)?/span>CO₂；再進(jìn)行降溫處理后，以混合氣的形式進(jìn)入到低溫堆的陽極，氫氣參與反應(yīng)發(fā)電，其他氣體從陽極排出。整個(gè)系統(tǒng)的排放僅有水汽和CO₂。

       第2類技術(shù)是甲醇重整制氫 + 氫氣提純 + 低電堆，將獲得的氫氣（通常含有H₂、CO₂、CO及水蒸氣）進(jìn)行提純，獲得99.99%純度的高純氫，氫氣降溫后再進(jìn)入低溫電堆發(fā)電。

       第3類技術(shù)是甲醇重整 + 高溫電堆，這類技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展最快的技術(shù)路徑，已在電動(dòng)車及其他特殊領(lǐng)域得到了眾多成功應(yīng)用。三種技術(shù)路線的主要區(qū)別在于系統(tǒng)中的電堆不同，導(dǎo)致對(duì)陽極氣體的需求差異。本文的后續(xù)內(nèi)容以采用第3類技術(shù)路線的高溫甲醇燃料電池進(jìn)行論述。

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)使用的燃料為甲醇水溶液，系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)主要在燃燒室、重整反應(yīng)室和電堆中進(jìn)行。燃燒室的主要作用為：①啟動(dòng)過程中為整個(gè)系統(tǒng)提供能量；②為物料的氣化提供熱量；③為重整腔的重整反應(yīng)補(bǔ)充一定的能量。其中燃燒區(qū)主要進(jìn)行燃燒反應(yīng)[1]：

CH₃OH+1.5O₂ → CO₂+2H₂O

       將重整反應(yīng)器與電堆集成，當(dāng)啟動(dòng)階段平穩(wěn)后，整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，系統(tǒng)將電堆中過量陽極氫氣作為燃燒燃料返回燃燒室。氫氣燃燒的反應(yīng)為：

H₂+1/2O₂ → H₂O

       重整反應(yīng)室的主要作用是將氣化甲醇轉(zhuǎn)化為氫氣，主要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)為[1]：

CH₃OH+H₂O → CO₂+3H₂  ΔH ＝ 49.57 kJ/mol

CH₃OH → CO+2H₂  ΔH ＝ 90.73 kJ/mol

CH₃OH+1.5O₂ → CO₂+2H₂O  ΔH ＝ -675.91 kJ/mol

       電堆放電反應(yīng)的原理如圖1，在催化劑的作用下，進(jìn)入電池陽極的氫氣原子分解成質(zhì)子和電子，其中質(zhì)子進(jìn)入電解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子經(jīng)過外電路行程電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子。反應(yīng)過程中的排放物只有水。其中兩電極的反應(yīng)分別為[1]：

陽極 ( 負(fù)極 )：2H₂-4e=4H⁺

陰極 ( 正極 )：O₂+4e+4H⁺=2H₂O圖1 電堆放電反應(yīng)原理

Fig. 1 Principle of stack discharge reaction

       電堆的工作過程中同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，燃料電池系統(tǒng)對(duì)電堆的產(chǎn)熱進(jìn)行回收，一部分用于液態(tài)甲醇的氣化，另一部分采用如熱電連供等方式進(jìn)行回收，理論上可以使系統(tǒng)在額定工作輸出時(shí)效率到達(dá) 70% 以上。

1.2 高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的主要構(gòu)成

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)主要由重整反應(yīng)器、高溫電堆、熱管理、水管理、控制單元等幾部分構(gòu)成。圖2是系統(tǒng)工作流程圖。甲醇燃料與空氣供給重整反應(yīng)器產(chǎn)出氫氣，空氣與氫氣作為電堆陰陽極的輸入，電堆放電經(jīng)過DC/DC配合二次單池輸出電能，同時(shí)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，可被回收利用。

圖2 系統(tǒng)工作流程

Fig. 2 System workflow

1.3高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行流程

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，從功能的角度主要分為兩個(gè)部分，一是將液態(tài)的甲醇水溶液轉(zhuǎn)化為氫氣的過程。另一部分是將高溫電堆放電過程。兩者之間并非簡單的上下游關(guān)系，而是緊密相連，相輔相成的。根據(jù)主要的功能，系統(tǒng)運(yùn)行過程如圖 3，甲醇水溶液儲(chǔ)存箱里的燃料經(jīng)過閥門、液泵和計(jì)量傳感器之后進(jìn)入換熱器進(jìn)行氣化，氣化之后的甲醇蒸汽分為兩路，一路供給重整器啟動(dòng)階段的燃燒使用。另一路供給重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣隨后進(jìn)入電堆?？諝饴芬卜譃閮刹糠郑謩e供給燃燒和電堆。但在實(shí)際操作運(yùn)行中，系統(tǒng)流程較為復(fù)雜。

圖3 高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行流程

Fig. 3 Operation process of high-temperature methanol fuel cell system

2 甲醇重整制氫的設(shè)計(jì)特征

2.1 質(zhì)量功能展開的概念

       在市場競爭日趨激烈的今天，產(chǎn)品的高質(zhì)量意味著必須在產(chǎn)品性能、可靠性、安全性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間性等方面全面滿足顧客的需求。要達(dá)到這樣的高質(zhì)量僅僅靠高水平的制造系統(tǒng)和精心的制作是無法實(shí)現(xiàn)的，必須從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)階段開始注入新的觀念和思維，為用戶著想，滿足用戶的各種需求。質(zhì)量功能展開技術(shù)是用于新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量保證的一種方法，可確保從開發(fā)、設(shè)計(jì)開始的全過程的質(zhì)量。它把用戶的需求或聲音轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)工程師的語言，通過產(chǎn)品規(guī)劃、零部件規(guī)劃、工藝規(guī)劃和質(zhì)量控制轉(zhuǎn)換成可度量的產(chǎn)品。因此，新產(chǎn)品開發(fā)中QFD過程的有效規(guī)劃與管理是新產(chǎn)品開發(fā)要解決的關(guān)鍵問題。

       QFD的最大優(yōu)點(diǎn)之一是能在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出有效的規(guī)劃和預(yù)防，將顧客的要求恰如其分地轉(zhuǎn)換成工程設(shè)計(jì)人員所能理解的產(chǎn)品和零部件的技術(shù)特征，以及配置到制造過程的各工序上和生產(chǎn)計(jì)劃中，使得設(shè)計(jì)和制造的產(chǎn)品能真正的滿足顧客需求。從而避免在產(chǎn)品研制后期出現(xiàn)不必要的返工和重復(fù)性工作[1]。

2.2 高溫甲醇燃料電池的顧客需求分析

       顧客需求是產(chǎn)品開發(fā)的最基本輸入信息，是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的依據(jù)和源頭，也是企業(yè)正確制定產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。摘選部分顧客需求如下：

● 系統(tǒng)功率

● 產(chǎn)品成本

● 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間

● 系統(tǒng)體積比功率與質(zhì)量比功率

● 系統(tǒng)效率

● 存儲(chǔ)溫度：-40~60 ℃

● 環(huán)境溫度：-20~45 ℃

● 工作環(huán)境溫度：-30~45 ℃

● 低溫自啟動(dòng)：-20 ℃

● 海拔高度≤ 2 000 m

● 環(huán)境相對(duì)濕度范圍：5%~95%

● 架壽命≥ 5000 h

● 平均無故障時(shí)間≥ 500 h

● 系統(tǒng)的防水防塵要求：IP67GB/T 4208—2017

● 系統(tǒng)的振動(dòng)要求：SAE J2380GB/T 33978—2017

● 系統(tǒng)的沖擊要求：5 g GB/T 36288—2018

● 系統(tǒng)的電磁兼容要求：SMTC3800 006—2017

● 甲醇重整器的 CO 濃度

● 甲醇重整器的轉(zhuǎn)化率

2.3 甲醇重整器的結(jié)構(gòu)

       甲醇重整器是高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)中的核心零部件。甲醇重整器的主體結(jié)構(gòu)包括蒸發(fā)器、混合器、重整反應(yīng)器、換熱器、具有催化劑的燃燒設(shè)備、凈化器 ( 處理重整產(chǎn)物中的雜質(zhì) )、啟動(dòng)裝置等設(shè)備。其中，甲醇的重整反應(yīng)需要的熱量由燃燒設(shè)備提供，燃燒設(shè)備的燃料來源有兩部分，一是啟動(dòng)階段使用的甲醇燃料，二是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采用轉(zhuǎn)化出來的多余氫氣。甲醇重整反應(yīng)的最終產(chǎn)出物為水和一氧化碳。

       重整器的主要功能是將液態(tài)甲醇燃料轉(zhuǎn)化為氫氣，是高溫系統(tǒng)的核心零部件之一。重整器的技術(shù)路線主要有催化重整和自熱重整兩種，自熱重整不在本文論述。重整系統(tǒng)對(duì)熱量的控制較為關(guān)鍵，需要精確的監(jiān)控各環(huán)節(jié)溫度。

2.4 甲醇重整器的工作原理

       系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在重整器的燃燒腔入口處，按一定比例向燃燒室通入空氣和液態(tài)甲醇，為了保證燃燒區(qū)域溫度的均勻分布，在燃燒室入口處設(shè)有專門的燃燒物料均布裝置。甲醇與空氣進(jìn)入燃燒物料均布裝置后，沿通道均勻地進(jìn)入相應(yīng)的燃燒室，使得在燃燒腔內(nèi)均布燃燒，從而獲得均勻的溫度分布。當(dāng)重整腔室達(dá)到合適的重整反應(yīng)溫度時(shí)，通入合適比例的甲醇物料和空氣，重整反應(yīng)即可迅速啟動(dòng)并維持穩(wěn)定。

       室溫?zé)o蒸發(fā)器的條件下，在燃燒催化劑的作用下，甲醇和水即可發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生熱，使得整個(gè)重整制氫反應(yīng)器內(nèi)的溫度升高，也是可以達(dá)到重整目的；但是隨著功率需求的提升，從啟動(dòng)時(shí)間、壽命和性能等角度綜合評(píng)估，或許就需要采用換熱器。

       應(yīng)用于車載的甲醇重整制氫的工作溫度范圍在200~300℃，反應(yīng)壓力為0.8~1.2 MPa。CH₃OH與H₂O的摩爾比在：1:1~1:1.6。反應(yīng)產(chǎn)物中會(huì)存在產(chǎn)生少量CO和CO₂。因此，反應(yīng)氣體若是給低溫電堆系統(tǒng)使用，為了防止燃料電池因 CO 中毒，在甲醇重整過程中需要對(duì)氣體進(jìn)行凈化處理。但是供給高溫系統(tǒng)電堆時(shí)，2%以內(nèi)的CO不會(huì)對(duì)電堆產(chǎn)生毒化影響。

2.5 重整器的設(shè)計(jì)特性

       通過零部件設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量屋的建立和分析，可以找出實(shí)現(xiàn)工程特征要求的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，重新進(jìn)行有關(guān)零部件特征的方案設(shè)計(jì)。零部件設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量屋的最終輸出是能保證實(shí)現(xiàn)工程特征要求的零部件特征要求。結(jié)合實(shí)際的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，摘選甲醇重整器的主要設(shè)計(jì)特征如下：

●床層：床層厚度越小越有利于傳熱，性能越高，但也會(huì)帶來結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封、制造工藝等問題，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理考慮，尤其是在車用大功率重整器的開發(fā)中，需要重視車用環(huán)境中振動(dòng)帶來的可靠性問題。

● 傳熱距離：熱源與重整腔室內(nèi)壁的距離。

● 重整工作溫度：在一定的高溫條件下，有利于提高氫產(chǎn)量及轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，也有利于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。但是，溫度過高會(huì)導(dǎo)致CO的含量變高，降低電堆的使用壽命。

● 熱容：保證一定的熱容有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。但是，車用條件下，為了讓甲醇重整器的啟動(dòng)時(shí)間盡量縮短，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)平衡取舍，提高集成化，降低熱容；

● 催化劑顆粒：重整反應(yīng)產(chǎn)物需要通過反應(yīng)器中的多孔擴(kuò)散至主氣流中，催化劑顆粒大小也會(huì)影響重整效果；

● 保溫：保溫在系統(tǒng)運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。較好的保溫結(jié)構(gòu)可以快速讓系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性；

2.6 重整反應(yīng)的熱量平衡計(jì)算

      熱量平衡是重整系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提，以36 kW電堆的額定輸出下熱量的計(jì)算方法為例。

氫氣量計(jì)算：36 kW電堆，電壓按0.6 V計(jì)算，放電電流為：

I = P/V = 36 000/0.6 = 60000 A

理論H₂量：

V = RTIt/PzF = (8.314×298×60 000×60)/(101.3×2×96485)=456 L/min。

若按進(jìn)氣量為1.4倍計(jì)量比計(jì)算，需求的重整反應(yīng)的氫產(chǎn)量為639 L/min。

熱量計(jì)算：甲醇重整制氫反應(yīng)方程式為：

CH₃OH+H₂O = CO₂+3H₂  ΔH = 49 kJ·mol^(-1)

根據(jù)物料平衡計(jì)算，1 mL/min 甲醇溶液重整反應(yīng)所需的熱量為15 W，則36 kW 重整器發(fā)生重整反應(yīng)的吸熱量為：

Q_吸 =15×V_甲醇 =15×639 = 9 585 W

1 mL/min 甲醇溶液氣化所需的熱量為 25 W，則36 kW 重整器甲醇?xì)饣奈鼰崃繛椋?/span>

Q_氣化 = 25×V_甲醇 = 25×639 = 15975 W

3 車用高溫甲醇燃料電池的挑戰(zhàn)

3.1 車用燃料電池的工作特點(diǎn)

       汽車行駛過程中，狀態(tài)在不斷變化，如上下坡、加減速等，因此需要發(fā)動(dòng)機(jī)輸出不同的功率。如果一輛燃料電池汽車通過燃料電池發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就需要燃料電池不斷變化輸出功率。然而，燃料電池并不適合變載。從燃料電池的電堆角度來看，電堆的主歧管流道、分配流道、反應(yīng)區(qū)微流道等等，都是基于某幾個(gè)特定工況范圍設(shè)計(jì)的。當(dāng)下的電堆功率設(shè)計(jì)趨勢(shì)是越來越大，為了兼顧功率密度的需求，要采用高壓條件來實(shí)現(xiàn)。因此，通氣條件在全工況下適應(yīng)非常困難。在負(fù)載過大或過小時(shí)，電堆都只能短時(shí)間工作。從在線重整制氫角度來看，重整反應(yīng)制氫再到電堆需要一定的時(shí)間，甲醇重整器的響應(yīng)跟不上動(dòng)力變化的需求。同時(shí)燃料電池的輔助附件也有一定的最佳工作范圍，如空壓機(jī)在一定的輸出范圍內(nèi)效率較高，且運(yùn)行穩(wěn)定。所以現(xiàn)階段高溫燃料電池需要和二次電池進(jìn)行混動(dòng)。

       燃料電池的混合是指結(jié)合兩種甚至更多種的能源形式，燃料電池只是其中一種特殊的混合能源系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)到車輛。燃料電池的車用混動(dòng)系統(tǒng)包含發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、峰值輸出功率和持續(xù)輸出功率（如圖4）。通常情況下，峰值輸出是持續(xù)輸出的3倍。

圖4 燃料電池的車用混動(dòng)系統(tǒng)

Fig. 4 Fuel cell vehicle hybrid system

3.2 車用高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)的工作流程

       高溫甲醇燃料電池系統(tǒng)控制的主要流程包括：冷啟動(dòng)流程、保溫流程、輸出流程、關(guān)機(jī)流程和故障處理流程等。輸出流程是將氫燃料電池和二次電池組結(jié)合為輸出動(dòng)力的電能來源混合輸出。燃料電池的輸出功率需匹配二次電池的剩余電量和整車功率需求；在整車功率需求相同的情況下，燃料電池的輸出功率隨二次電池的剩余電量增加而減少。控制過程要讓燃料電池的工作狀態(tài)盡量穩(wěn)定，整車動(dòng)力性需能滿足實(shí)際工況要求。

       將整車功率需求劃分成A~D的4個(gè)功率段，以36 kW高溫甲醇燃料電池的控制方法為例，下面將二次電池簡稱為 SOC，高溫甲醇燃料電池輸出功率簡稱為HTMFC_Power，具體如下。

(1) 整車功率需求 <6 kW

● SOC ≤ 30% 時(shí)，HTMFC_POWER=36 kW；

● 30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER 緩慢降至20 kW；

● 60% ＜ SOC ≤ 75%，HTMFC_POWER 緩慢降至10 kW；

● 5%＜SOC≤90%，HTMFC_POWER停止工作；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER停止工作。

(2) 6kW ≤整車功率需求大于 <18 kW

● SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER 為 36 kW；

● 30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER 緩慢降至20 kW；

● 75% ≥ SOC ＞ 60%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● 90% ≥ SOC ＞ 75%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

(3) 18 kW ≤整車功率需求 <36 kW

● SOC ≤ 30%，HTMFC_POWER=36 kW；

● 30% ＜ SOC ≤ 60%，HTMFC_POWER=36 kW；

● 60% ＜ SOC ≤ 75%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● 75% ＜ SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER= 整車功率需求；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

(4) 36 kW ≤整車功率需求

● SOC ≤ 90%，HTMFC_POWER=36 kW；

● SOC ＞ 90%，HTMFC_POWER 進(jìn)入保溫流程。

       功率需求變化過程中，高溫甲醇燃料電池輸出必須要有一定的穩(wěn)定控制，防止高溫甲醇燃料電池輸出功率頻繁波動(dòng)。

3.3 高溫甲醇燃料電池控制系統(tǒng)的開發(fā)

       由于高溫甲醇燃料電池的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，高效的軟件控制系統(tǒng)顯得尤為重要。為了保證電池系統(tǒng)的控制質(zhì)量，軟件產(chǎn)品必須有一套嚴(yán)格的開發(fā)程序，激烈的市場競爭也需要縮短開發(fā)時(shí)間。目前汽車電子普遍采用的開發(fā)流程是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程，如圖5。此開發(fā)流程存在不足，直到臺(tái)架調(diào)試，控制器才與被控對(duì)象結(jié)合，而此時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤可能難以追溯，排除困難。

圖5 傳統(tǒng)車用嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程

Fig. 5 Development process of traditional automotive embedded systems

       因此，我們需要開發(fā)過程中的軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試等開發(fā)工作盡量同步，如圖6。在成熟的控制器開發(fā)工具包上進(jìn)行改進(jìn)將有效縮短開發(fā)時(shí)間。市場中部分軟件還有自動(dòng)化代碼生成技術(shù)，可以完成硬件驅(qū)動(dòng)和模型算法的集成，幫助開發(fā)人員從繁瑣的硬件開發(fā)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)和軟件集成工作中解脫出來。無需關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而專注于應(yīng)用策略及控制算法開發(fā)，并快速驗(yàn)證算法的高效性和正確性，縮短開發(fā)周期。

圖6 軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試等開發(fā)工作盡量同步

Fig. 6 Software design, testing and other development work should be synchronized as much as possible

3.4 高溫甲醇燃料電池的車用機(jī)遇

       依據(jù)現(xiàn)有市場調(diào)查結(jié)果，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型相比，考慮加氫站的問題，PEM 燃料電池車的新能源車型的實(shí)際使用環(huán)境更趨于城市道路及近郊的中短途載客或輕型載貨運(yùn)輸，其行駛路線、?？康牡攸c(diǎn)較為固定。燃料電池車的持續(xù)最髙車速一般在（45~75）km/h，瞬時(shí)最髙車速一般不超過100 km/h，且使用燃料電池車的主要顧客群大多集中在政府機(jī)構(gòu)及特定企業(yè)群體中。

       因此，客戶對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的需求與純電動(dòng)汽車類似，主要體現(xiàn)在氫氣的能耗、動(dòng)力響應(yīng)性、續(xù)航能力、燃料電池的可靠性、后期維護(hù)成本等這幾個(gè)主要方面。

       眾所周知，甲醇是制氫的主要原料之一，高溫甲醇燃料電池汽車就是將制氫的環(huán)節(jié)從工廠轉(zhuǎn)移到了車輛上。在車?yán)镒詣?dòng)把甲醇轉(zhuǎn)化成氫氣，再用氫去燃料電池里發(fā)電，優(yōu)勢(shì)有如下3點(diǎn)。

       1）規(guī)避了普通氫燃料電池最不容易解決的問題——?dú)錃饩W(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。由于氫的特性，如何安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及把氫加到車?yán)锒际遣灰淄黄频募夹g(shù)難點(diǎn)，尤其是低成本的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸?，F(xiàn)階段建設(shè)一座加氫站至少需1000萬元，而一個(gè)中等加油站只需200萬元。而且液態(tài)甲醇的加注方式能很好兼容現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)。改裝加油槍的成本也僅需10萬元，因此，通過少量的投入即可對(duì)現(xiàn)有加油站改造，實(shí)現(xiàn)廣泛的推廣。

       2）我國和歐洲都富含大量的甲醇資源，有利于加強(qiáng)能源安全。現(xiàn)階段國內(nèi)化工領(lǐng)域甲醇產(chǎn)量過剩，而且甲醇屬于可再生能源，以甲醇為能源動(dòng)力形成替代傳統(tǒng)燃料的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。從制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、加注到工業(yè)、生活用電等多種場景的應(yīng)用所產(chǎn)生的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)閉環(huán)，已經(jīng)形成了完整的甲醇生態(tài)圈?，F(xiàn)在歐洲，如德國、英國、丹麥等國家都在大力研究這個(gè)技術(shù)路線。

       3）里程補(bǔ)充速度。未來二次電池技術(shù)肯定會(huì)突破，電池能量密度的提升是必然發(fā)展趨勢(shì)，續(xù)航里程將逐步解決。但是充電是化學(xué)變化，加油或甲醇是物理變化。電動(dòng)車要想實(shí)現(xiàn)加油或甲醇級(jí)別的里程補(bǔ)充速度，短期看幾乎沒有可能，目前只能采用換電技術(shù)作為過渡。

3.5 純電汽車移動(dòng)充電站的機(jī)遇

       隨著未來純電動(dòng)車的快速發(fā)展，其充電短板在需求端必然會(huì)變得更加突出，現(xiàn)有的一種解決思路是采用移動(dòng)式充電設(shè)備，如特斯拉所做的移動(dòng)式電站，根據(jù)介紹，其半掛車上所搭載的儲(chǔ)能裝置為特斯拉商用儲(chǔ)能電池Megapack。官方表示，其單次存儲(chǔ)容量可以達(dá)到3 MW·h，因此理論上可以為 30 輛配備 100 kW·h 容量電池的 ModelS/X 從完全沒電充到滿電（圖7）。

圖7 特斯拉的移動(dòng)式電站

Fig. 7 Tesla’s mobile power station

       如果用高溫甲醇燃料電池做移動(dòng)式電站，首先，從技術(shù)難度來看，與直接作為車用動(dòng)力電源相比，移動(dòng)式充電站容易實(shí)現(xiàn)。其次，高溫甲醇燃料電池在體積、重量、便捷性等方面完全超越以鋰電儲(chǔ)能的移動(dòng)式電站。而且，能量的傳遞效率更高。最后，充電的經(jīng)濟(jì)性也有優(yōu)勢(shì)（見表1）。

       對(duì)比 PEMFC 的移動(dòng)式充電站，高溫甲醇燃料電池還在氫氣儲(chǔ)運(yùn)方面有巨大的優(yōu)勢(shì)。

表1（甲醇式電站指高溫甲醇燃料電池）

Table 1 (Tower refers to high temperature tower fuel cell)

3.6 高溫甲醇燃料電池的車用挑戰(zhàn) 

       目前，和國外典型產(chǎn)品的性能對(duì)比，我國氫空燃料電池商用車在整車總布置、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等方面差距不大，混合動(dòng)力系統(tǒng)集成和控制水平無明顯差距，但氫空燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率明顯低于國外水平，根本原因在于裝車的氫空燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的體積比功率偏低，系統(tǒng)集成化有待提高。然而，高溫甲醇燃料電池的整車應(yīng)用正處于起步階段，這個(gè)問題更為突出。

       高溫工作的特點(diǎn)決定了高溫是甲醇燃料電池的一把雙刃劍。一方面是優(yōu)勢(shì)，根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius equation）經(jīng)驗(yàn)公式：

k = Ae-Ea/RT

（k為速率常數(shù)，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，Ea 為活化能，A 為頻率因子。）

       溫度升高，反應(yīng)的活化分子數(shù)明顯增加，從而反應(yīng)速率加快。實(shí)際應(yīng)用中溫度每提高10℃，電極反應(yīng)速率通常增加2~4倍，電池性能隨之提升。而且在 150℃以上，CO的毒化又可以大幅降低，同時(shí)PEMFC中水管理問題也得以解決。

       但是，另一方面的挑戰(zhàn)在于催化劑和高性能MEA的設(shè)計(jì)開發(fā)。高溫甲醇燃料電池工作溫度在 160~180 ℃。氫空燃料電池的質(zhì)子交換膜（如NAFION膜工作溫度通常在70~90℃）不能在較高的溫度下工作。高溫非水質(zhì)子交換膜體系的技術(shù)路線有無機(jī)強(qiáng)酸(磷酸、硫酸 ) 配合聚苯并咪唑膜或聚酰亞胺薄膜，玻璃化后的工作溫度可滿足使用要求，又兼具較好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，但這個(gè)工藝過程需要不斷完善。

4 結(jié)束語

       當(dāng)下燃料電池行業(yè)的發(fā)展迅猛，應(yīng)用于乘用車的氫空燃料電池電堆功率額定功率已經(jīng)達(dá)到70 kW，電堆壽命超過6000 h，系統(tǒng)額定功率超過60 kW，裸堆成本降低至2000 元 /kW以內(nèi)（百臺(tái)訂單）。應(yīng)用于商用車的氫空燃料電池電堆額定功率達(dá)到130 kW，電堆壽命超過10000 h，商用車的系統(tǒng)額定功率達(dá)到100 kW。

       預(yù)計(jì)未來幾年，燃料電池行業(yè)會(huì)迎來較大的發(fā)展，由于石墨雙極板較好的壽命和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在商用車領(lǐng)域逐步成為主流。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)集成化將提高，并在動(dòng)力系統(tǒng)層面與整車進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，通過整車的智能控制、可靠性、安全性以及耐久性等方面形成的自主核心技術(shù)，支持全新結(jié)構(gòu)燃料電池電動(dòng)汽車，尤其是中高級(jí)燃料電池電動(dòng)汽車安全結(jié)構(gòu)整車平臺(tái)開發(fā)，并形成小批量生產(chǎn)能力。

       燃料電池市場細(xì)分的高溫甲醇燃料電池的發(fā)展極具潛力。根據(jù)其工作特點(diǎn)和整車用需求，現(xiàn)階段的發(fā)展方向可能是中小功率的標(biāo)準(zhǔn)模組化系統(tǒng)。應(yīng)用方式或許是通過電池模組之間的靈活組合，配合二次電池的混動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)。