我国甲醇燃料电池研究现状及发展趋势

广东工业大学材料工程陈允至我国甲醇燃料电池研究现状及发展趋势前言技术问题发展前景2014年11月，丰田发布燃料电动车Mirai。2015年1月，丰田宣布在全球范围内开放5680项技术专利，其中包括Mirai的1970项关键技术专利。丰田一系列动作表明其在燃料电池汽车技术上已趋成熟，正进入技术优化和商业生态构建阶段。在我国,以国鸿氢能与Ballad合作为代表的“市场换技术”模式已经落地，并计划在两年内投放3000套燃料电池系统。同时，福田汽车公告斩获北京有车租赁100辆欧辉氢燃料电池电动客车订单等消息亦显示国内燃料电池汽车产业化已悄然开启。前言技术问题发展前景接使用甲醇作为PEMFC阳极燃料的DMFC的构想是20世纪90年代初NASA的JPL实验室和南加州大学的研究者提出的,并获得了专利。Content(目录)技术问题发展前景甲醇燃料电池的工作原理甲醇燃料电池的研究现状（国内专利申请情况、国外研究进展、国家标准、国内相关的研究机构、知名学者、相关的政策、项目情况、研究热点、存在的技术难题、甲醇的来源、已推出的燃料电池汽车和甲醇燃料电池产品）发展趋势甲醇燃料电池尚不具备大规模推广的条件，以甲烷为燃料的燃料电池可能最先被推广。甲醇的基本情况甲醇的沸点为64.7℃。甲醇2017年06月05日最新价格为2314.00元/吨。相关生产商有:*ST兴化(002109)、*ST大化B(900951)、*ST江化(002061)、*ST黑化(600179)、中国心连心化肥（01866，港股）。甲醇对人体有强烈毒性，因为甲醇在人体新陈代谢中会氧化成比甲醇毒性更强的甲醛和甲酸（蚁酸），因此饮用含有甲醇的酒可引致失明、肝病、甚至死亡。误饮4毫升以上就会出现中毒症状，超过10毫升即可因对视神经的永久破坏而导致失明，30毫升已能导致死亡。workingprinciples(工作原理)燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，将燃料和空气分别送进燃料电池，就能生产出电能。从外表上看，燃料电池有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上不能“储电”，而是一个“发电厂”。直接甲醇燃料电池属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性，可能会应用于电子产品、移动充电宝、物料搬运车等领域。workingprinciples(工作原理)workingprinciples(工作原理)直接甲醇燃料电池核心为膜电极组，主要由阳极扩散层、阴极扩散层、质子交换膜等组成，基本结构如图1所示。阳极上，甲醇与水发生电化学反应，转换成二氧化碳，质子和电子；透过质子交换膜，质子迁移到阴极一侧，电子流则通过外电路由阳极向阴极传递，并对外做功；同时，产生的二氧化碳气体以气泡的形式在阳极流场内随溶液排出。阴极上，氧气扩散进入阴极催化层，与来自阳极的质子发生电化学还原反应，还原成水，与反应尾气一起离开电池的阴极流场，其电极反应如下：阳极甲醇氧化反应：CH3OH+H2O=CO2+6H++6e-阴极氧还原反应：32O2+6H++6e-→3H2O总反应：CH3OH+32O2→CO2+2H2O甲醇的来源天然气制甲醇煤、焦炭制甲醇油制甲醇联醇生产（与合成氨联合生产甲醇）国外以天然气为原料生产的甲醇占92%,以煤为原料生产的甲醇占2.3%。市场需求2010-2015年，PEMFC、SOFC、MCFC三种类型电池占据了燃料电池历年总出货量的90%以上，PEMFC占多数。市场需求市场需求在燃料电池核心部件成本有望进一步下降大背景下，燃料电池的应用有大幅提升空间。但锂电池配套设施已经开始大规模兴建，并形成了一定的产业规模，同时燃料电池汽车也需要二次电池（包括锂电池）作为辅助电源，锂电池仍将是我国电动汽车的主流。市场需求以一种燃料电池增程的中型物流车做分析：采用30kWh+30kWh增程配置，燃料电池系统约44万+锂电池系统约3.6万+常规部件8万=55.6万。国补30万，不算地方补贴成本为25.6万。因此，燃料电池汽车行业大规模商业化可能会在公交车和物流搬运车等细分行业展开。专利申请情况（甲醇燃料电池）专利申请情况（甲醇燃料电池）专利申请情况Researchinstitutions(研究机构)中国中科院长春应化所研制出中国首台百瓦级直接甲醇燃料电池堆，并成功应用于电动自行车上。Researchinstitutions(研究机构)国家标准国家标准国家标准项目情况（2017年科技部重点专项）项目情况（2017年科技部重点专项）政策我国从2001年的“863计划电动汽车重大专项”项目确定的三纵三横战略中就包括燃料电池汽车；2015年《中国制造2025》规划纲要出台，其中明确提出未来国家将继续支持燃料电池汽车的发展；2015年底，科技部“十三五”新能源汽车重点专项布局中再次提及燃料电池动力系统；近日，国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出15项重点创新任务，其中包括了氢能与燃料电池技术创新，战略方向包括氢的制取/储运及加氢站、先进燃料电池、燃料电池分布式发电，并且布局了重点任务、创新目标和创新行动。补贴政策现行政策给予小型/轻型/大型燃料电池车的补贴标准为20/30/50万元/台，加气站的补贴标准为400万元/个。补贴政策国内相关的企业①氢生产：华昌化工；②质子交换膜：东岳集团、上海汽车、长城电工、南都电源、新大洲控股、雄韬股份；③双极板：安泰科技；④氢气存贮装臵：富瑞特装；⑤催化剂：贵研铂业；⑥空气压缩机：雪人股份；⑦整车企业：福田汽车、宇通客车、佛山飞驰；⑧氟制品：三爱富、巨化股份。相关的企业和产品（丰田）相关的企业和产品（丰田）丰田Mirai是全球首款量产的氢燃料电池车，售价57500美元（391000元人民币）起。自2014年开始，Mirai开始登陆日本市场，随后面向美国、欧洲、阿联酋发售，不过由于氢补给站的配套建设问题，截至2017年2月，仅仅销售了2840辆。相关的企业和产品（丰田）相关的企业和产品（丰田）动力方面，全新丰田Mirai的氢燃料电池组可产生114kW的最大输出功率，满电情况下最大续航里程可达到483公里，它从0到100km/h的加速时间为9.6秒。在使用压力为700bar的专用充电设备可在3分钟内将电池充满，这套氢燃料电池组合在零下22度以上的环境中正常使用。相关的企业和产品（现代）相关的企业和产品（现代）相关的企业和产品（本田）相关的企业和产品（西门子）国内知名学者华南理工大学廖世军教授在燃料电池的基础研究和应用研究方面成就卓著，主持完成了广东300KW燃料电池电站，燃料电池－锂离子电池混合电力电动车等一系列重大项目。廖世军教授担任广东省燃料电池技术重点实验室主任。国内知名学者广州大学陈胜洲教授在甲醇燃料电池方面申请了不少课题。新型碳功能化改性及在甲醇燃料电池中的应用，2009.01-2011.12，广东省科技厅攻关项目，主持，项目编号：2008B010800036“甲醇燃料电池电动车富氢气体中CO的选择性氧化”，国家自然科学基金项目，2006.01～2008.12，第三承担人，项目编号：20576023“便携式直接甲醇燃料电池氧化电极材料研究”，广州市科技局计划项目2005.08～2007.08，第二承担人，项目编号：2005J1-C0361“微型甲醇燃料电池阳极电催化剂的研究”，广州市教育局，2005.01～2006.12,项目编号：第三承担人，2052“中小型直接甲醇燃料电池关键材料及技术”，2009.01-2011.12，广东省科技厅攻关项目，第二承担人，项目编号：2008B010800037，15万高浓度甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池研究，2010.08-2012.07，广东省科技厅攻关项目，第二承担人，项目编号：2010B010900039，2011.08-2012.07国内知名学者一汽技术中心电动车部副部长赵子亮魏子栋，教育部长江学者特聘教授，现任重庆大学化学化工学院院长，“化工过程强化与反应国家地方联合工程实验室”主任，重庆市“新能源化工创新团队”学术带头人。高引论文高引论文（webofscience检索结果）Technicalproblem(技术问题)电极催化剂的问题采用贵金属催化剂导致成本高。制约直接甲醇燃料电池发展的另一个重要因素就是常温下甲醇的电催化氧化活性太低。解决方案：由于一元Pt催化剂活性难以提高，且催化过程易自中毒，因而研究人员对铂基二元、多元金属催化剂经行了大量的研究；二元催化剂有PtRu、PtMo、PtRe、PtNi等；多元催化剂有Pt-Ru/C、Pt-Sn/C、Pt-Ir/C等；同时也引进了纳米技术，出现了贵金属纳米催化剂，但这些金属材料价格偏高、活性及稳定性还达不到理想要求，而且非贵金属催化活性很低。Technicalproblem(技术问题)质子交换膜渗透甲醇的问题质子交换膜是直接甲醛燃料电池的核心部件，目前应用最多的是Nafion系列膜，价格偏高。在甲醇溶液里，甲醇和水能随氢离子的迁移发生渗透，产生淹水现象，降低电池输出电压。解决方案：(1)降低甲醇在现有质子膜中的扩散系数,使其不能到达阴极。(2)在原有材料的基础上,改变电极结构使到达膜附近的甲醇浓度尽量小,从而减少甲醇渗透量。(3)研制新型膜。解决方案规模效应会降低电池成本！发展趋势直接甲醇燃料电池作为新型的绿色能源，可以满足大到汽车、航天仪器，小到微型电子产品对能源的需求。但是，催化剂和质子交换膜是直接甲醇燃料电池发展的技术难点。另外，甲醇和氢气的制备需要消耗煤、天然气等化石燃料。用化石燃料制备甲醇或氢气，再用甲醇或氢气发电是否比直接用化石燃料发电环保呢？这个问题值得研究。发展趋势2017年5月18日10时，国土资源部部长姜大明在南海神狐海域的“蓝鲸一号”钻井平台上宣布：我国首次海域天然气水合物（又称“可燃冰”）试采成功。未来随着可燃冰的开采，甲烷的价格可能会大幅度下降。发展趋势Thankyou!