科技前沿速递——高温甲醇燃料电池技术在船舶领域的应用

高温甲醇燃料电池简介

（1）甲醇燃料电池

燃料电池1839年诞生，在应用方面，燃料电池输出功率从次瓦级到几十兆瓦，陆、海、空、天都有广阔的应用前景。与超级电容器、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等主流电源相比，甲醇燃料电池的比能量非常高，可超过1kWh/kg。

甲醇常温下是液态，除了可以解决氢气的储存、运输、加注等痛点之外，还有很多优势：

1）作为液态燃料，甲醇的储氢量是12.5%；

2）与汽油、柴油相比，甲醇的二氧化碳排放可以降低40%，硫氧化物、氮氧化物、颗粒物排放几乎为零；

3）甲醇的安全性明显优于几种常规燃料；

4）在水中，甲醇的半致死浓度比其它燃料好得多，其毒性远远低于汽油、柴油等。

 （2）高温甲醇燃料电池

氢能经济现已得到了全球的青睐，氢气与甲醇的区别在于产物有无二氧化碳。但随着二氧化碳捕捉利用等技术的发展，该问题将得到改善。高温甲醇燃料电池使用液态燃料，存储、携带、加注比较方便。提高温度后，一氧化碳问题几乎可以忽略，电极反应速率倍增。但耐高温聚合物电解质膜材料研究进展缓慢，近几年有所突破。

高温甲醇燃料电池技术体系，包括关键材料、核心部件、系统集成、智能控制，以及多能源组合利用等。

高温甲醇燃料电池系统主要由重整反应器、高温电堆、热管理、水管理、控制单元等几部分构成，如图1所示。

图1 高温甲醇燃料电池系统工作流程

高温甲醇燃料电池原理

高温甲醇燃料电池系统主要有3种技术路线：

(1) 甲醇重整+除CO装置+低温电堆

通过催化剂，对甲醇重整产生的混合气中的CO进行选择性氧化，使之变为CO₂；再进行降温处理后，以混合气的形式进入到低温堆的阳极，氢气参与反应发电，其他气体从阳极排出。整个系统的排放仅有水汽和CO₂。

(2) 甲醇重整制氢+氢气提纯+低温电堆

将获得的气体产物（通常含有H₂、CO₂、CO及水蒸气）进行提纯，获得99.99%纯度的高纯氢，氢气降温后再进入低温电堆发电。

(3) 甲醇重整+高温电堆

该技术是现阶段发展最快的技术路径，已在电动车及其他特殊领域得到了众多成功应用。

三种技术路线的主要区别在于系统中的电堆不同，导致对阳极气体的需求差异。

高温甲醇燃料电池系统使用的燃料为甲醇水溶液，系统化学反应主要在燃烧室、重整反应室和电堆中进行。燃烧室在启动过程中为整个系统提供能量，为物料的气化提供热量，为重整腔的重整反应补充一定的能量；重整反应室的主要作用是将气化甲醇转化为氢气；电堆在阴极催化剂作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子。

高温甲醇燃料电池船舶领域应用

据梅塞尼斯公司预测，未来5年，全球甲醇需求每年将增加1400万吨，增量主要是绿色甲醇。挪威船级社最新发布数据显示，到今年3月底，全球已有25艘甲醇燃料船投运，81艘新建甲醇燃料船下了订单，甲醇燃料船市场潜力有待挖掘。高温甲醇燃料电池在船舶领域的应用探索如下：

 （1）中科嘉鸿

2021年11月，以高温甲醇燃料电池为动力电源的示范游船在佛山南海丹灶仙湖首航（图2）。该船动力电源——高温甲醇燃料电池由中科嘉鸿（佛山市）新能源科技有限公司（简称“中科嘉鸿”）研发，其核心技术源于中国科学院大连化学物理所孙公权团队。

2023年5月，在“2023世界氢能技术大会”的电堆、关键零部件制造装备及应用专场，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员、中科嘉鸿首席科学家王素力做了主题演讲，聚焦《高温甲醇燃料电池技术开发与应用》，阐述了甲醇燃料电池推广应用的可行性，分享了高温甲醇燃料电池全链条研发中取得的技术成果，特别是高温质子交换膜“卡脖子”技术及其在耐毒化关键材料、部件等方面的创新思路及进展，并展示了单电池性能、电池系统等技术指标。

中科嘉鸿现有产品主要为额定输出功率0.5kW-120kW、工作温度在120~200℃的高温甲醇燃料电池系统及相关材料、部件，并积极推进甲醇燃料电池双电系统多元化应用，目前已在观光车、观光游船、清洁船、渔辅船等领域开展示范项目，并在不断向应急电源车、货船、分散电站、热电联供等多场景应用拓展，相关示例见图3。

 （2）上海博氢新能源科技有限公司

上海博氢新能源科技有限公司（简称“上海博氢”）核心产品有制氢产品（甲醇制氢机），发电产品（醇氢发电机、醇氢发电能源舱）。上海博氢开发了高温质子交换膜燃料电池技术（图4），可解决传统低温电堆内催化剂铂电极CO中毒的问题，160℃工作温度可以保证氢气在电堆内反应后的产物是水蒸气，简化控制难度。高温电堆使用的氢气是由甲醇重整制备，整个过程氢气即产即用无需高压，安全稳定。上海博氢的甲醇重整制氢燃料电池产品涉及多个核心部件，包括电堆、膜电极、质子交换膜、碳纸、催化剂、双极板、重整器等。

其20kW甲醇重整燃料电池模块产品，采用甲醇重整制氢燃料电池技术，额定功率20kW，可进行叠加使用，满足高功率应用场景的需求。具有系统效率高、CO₂排放低、运行成本低、安全可靠等特点，可用于备用电源、分布式发电、车船舶等交通工具动力电源等。

 （3）丹麦Blue World Technologies

2021年4月，蓝界科技（Blue World Technologies）与阿法拉伐（Alfa Laval）在碳中和甲醇重整燃料电池船用系统项目上合作（图5）。蓝界科技的甲醇重整燃料电池系统是高温质子交换膜技术（HT PEM）与甲醇重整制氢技术的结合。该项目的燃料电池测试系统输出功率目前为200kW；随着开发的逐步深化，该系统的模块化设计计划能实现5MW输出功率。

该项目在阿法拉伐位于丹麦奥尔堡的测试培训中心进行测试，测试的关注点在于燃料电池系统的耐久性和寿命。该测试系统以甲醇为燃料，用于探索甲醇重整燃料电池技术作为船用辅助电源的潜力。该测试项目得到了丹麦政府能源技术开发与示范项目（EUPD）的资金支持，由蓝界科技、阿法拉伐、DFDS（丹麦国际航运物流公司）、Maersk Drilling（马士基钻井公司）和Hafnia（成品油轮公司）共同参与。三家船舶企业——DFDS、Maersk Drilling和Hafnia将为该系统的运营和商业实施提供必要支持。DFDS有从事其他燃料电池运营项目的经验，Maersk Drilling有在特殊应用中使用辅助动力的经验，Hafnia则提供甲醇加注和操作方面的经验。

 未来几年，蓝界科技计划扩大生产，凭借甲醇燃料电池推进系统进一步进军海事市场。2022年12月，蓝界科技已开始制造甲醇燃料电池的辅助动力装置（APU）系统（图6），该系统计划用于船舶市场，希望能替换传统的柴油发电机组，为船舶提供电力。

其基于甲醇燃料电池的辅助电源系统原理如图7所示。

该辅助动力装置特征如下：

1）模块化配置  由200千瓦机柜组成的简单、模块化机柜配置来提供船上所需的电力，这些机柜组合起来则可以提供兆瓦级范围的能源负荷。

2）无需气体净化  燃料电池基于HT PEM技术（工作温度为160-180°C），具有很高的抗杂质性，不需要气体净化。

3）余热利用  燃料电池的部分废热可用于驱动甲醇重整过程，从而优化系统总效率。此外，废热还可用于额外的能源回收。

4）高效率  甲醇燃料电池APU系统能效将达到45%至60%。

5）净零运行  当由可再生甲醇提供动力时，APU将是净零运行，不会产生氧化氮、氧化硫或颗粒物排放。

相关核心专利摘编

资料来源

[1]佛山中科育成. 中科嘉鸿携新品参展，闪耀世界级氢能技术大会舞台！[EB/OL].(2023-05-31)[2023-08-01]. https://mp.weixin.qq.com/s/BQOA9Sj8JNwQADMCyOkzOg.

[2]畅合能源.高温质子交换膜燃料电池（高温PEMFC）介绍系列文章之一[EB/OL].(2023-05-18)[2023-08-01].https://zhuanlan.zhihu.com/p/630340647.

[3]中科嘉鸿.中科嘉鸿新能源孙公权：高温甲醇燃料电池技术[EB/OL].(2021-12-31)[2023-08-01]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/447911198.

[4]刘超,周明强,南茜.高温甲醇燃料电池的应用研究[J].电子产品世界,2021,28(09):47-53.

[5]全球绿色甲醇产业发展提速[EB/OL].(2023-07-18)[2023-08-01]. https://www.zkjhmfc.com/news/302.html.

[6]中科嘉鸿.应用领域-船用领域[EB/OL].[2023-08-01]. https://www.zkjhmfc.com/boat.html?9.

[7]上海博氢新能源科技有限公司.产品中心-20kW模块产品[EB/OL].[2023-08-01]. http://www.palcan.com.cn/product_5.html.

[8]Blue World Technologies. 蓝界科技与瑞典公司阿法拉伐（Alfa Laval）在碳中和甲醇重整燃料电池船用系统项目上达成合作[EB/OL].(2021-04-19)[2023-08-01].https://cn.blue.world/blue-world-technologies-partners-up-with-alfa-laval-on-a-carbon-neutral-methanol-fuel-cell-system-for-shipping/.

[9]Blue World Technologies.市场应用—海事[EB/OL].[2023-08-01]. https://www.blue.world/markets/maritime/.