中科嘉鸿孙公权：高温甲醇燃料电池技术

各位领导、专家、同仁，大家好！我叫孙公权，来自中国科学院大连化学物理研究所，也担任中科嘉鸿公司董事长。

今天我汇报的内容主要有以下几个方面：首先是国家战略需求。实现碳达峰、碳中和是我国向全世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革，能源动力先行，这是义不容辞的。

从能源安全来看，我们国家石油进口总量去年是4.56亿吨，对外依存度高达70.24%，尤其是经过霍尔木兹海峡和马六甲海峡的占总进口数量的70%，因此石油替代和洁净能源开发迫在眉睫。

清洁能源有很多种，风电今年我国已并网的装机容量突破了3亿千瓦，连续12年在全球排名第一；太阳能装机容量也超过了2.5亿千瓦，增长24%。目前氢能的发电量还远低于这个值，但氢能有着特殊的战略意义，氢气可以燃烧，包括航天发动机，用液氢液氧，德国把氢气输入天然气管道作为燃料燃烧；氢气可以制备化学品，化工反应中的加氢反应众多；氢气可以发电，发电意义重大，在陆、海、空、天诸多领域均有广阔的应用前景。

实际上，氢能经济是上世纪70年代美国提出，基本想法是水在地球表面的储量巨大，我们常说“三山六水一分田”。1985年，国际上提出ITER计划，其思路是如果能把海水里的氢提取出来，人类的能源问题就解决了。当时的想法是用核聚变。2003年我国参加ITER计划谈判，2006年正式加入，目前项目取得了很大进展。今天氢能的内涵更加丰富，氢气的来源更广，包括利用太阳能光解水、电解水等等。

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。我们之所以考虑甲醇燃料电池，是因为在几种主流的电源中，如超级电容器、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等，甲醇燃料电池的比能量非常高，可超过1kWh/kg。

燃料电池行业最近几年发展迅速，技术成熟度明显提高，商业化进程加快，今天汤老师和很多人都在谈产业化问题。市场方面，目前以低温氢燃料电池为主，复合增长率大于40%。甲醇燃料电池是后起之秀，市场份额比较低。过去几年里，燃料电池的资本投入累计超过3千亿元，新诞生企业几千家，尤其是最近几年国企、央企大批进入，对整个行业的发展无疑是有力地推进。国家政策持续利好，燃料电池汽车示范应用城市群目前已有三个，其中佛山市还是广东城市群牵头城市。

在电动车领域，在座的可能也有参与国家的几个五年计划。最近国务院办公厅印发的发展规划赋予“三纵三横”新的内涵，三纵包括纯电动汽车、插电式的混合动力汽车、燃料电池汽车。三横就是动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子以及新增加的网联化与智能化技术。

传统电池结构相对简单，而燃料电池链条较长。就燃料而言，气态燃料有氢气、氨气、天然气，液态燃料有甲醇、乙醇、燃油等，也有固态燃料，比如轻质金属镁、铝、锌等。

燃料电池产品开发包括关键材料、核心部件、系统集成等。智能管理方面，包括电池电控、能源管理、智能互联等。最后才能真正应用到电动车辆、船舶、机站等。

下面讲讲甲醇燃料的特点和经济性。我们讲氢能经济，大家考虑的都是如何利用氢气。氢气常温下是气态，它有很多优势但也有痛点。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，其实还有很多优势。作为储氢材料，碳氢化合物中最好的是甲烷，但是甲烷常温下是气态的，碳氢键断裂比较困难。作为液态燃料甲醇的储氢量是12.5%。国外储氢材料的储氢量约为1.4%，而国内储氢材料的储氢量约为1.2%-1.3%。甲醇、液化天然气、液氨、液氢等都是液态燃料，就能量而言，甲醇单位体积的能量密度优势明显，甚至高于液氢。

甲醇排放问题。甲醇反应会生成二氧化碳。随着技术进步，二氧化碳捕捉后，通过加氢反应可再生甲醇。最近几年国内也在倡导液态阳光，用绿氢产生碳中性的甲醇燃料。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。

甲醇安全性问题。由这个表可见，甲醇的安全性明显优于几种常规燃料。

甲醇的毒性问题。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、柴油等等。

我们为什么要做甲醇燃料电池，尤其是高温甲醇燃料电池呢？我们来看一下，氢能经济现已得到了全球的青睐，其实如果把氢气换成甲醇，区别就是产物有二氧化碳，但随着二氧化碳捕捉利用等技术的发展，这也不是什么大问题。

2006年，诺贝尔奖得主南加州大学的George Andrew Olah率先提出甲醇经济，实际上，甲醇经济也是氢能经济的一部分。

低温氢燃料电池优势明显，能量转化效率高、环境友好，其痛点是氢气的制备、储运、加注比较复杂，对燃料气中一氧化碳含量比较敏感，通常小于10ppm。

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开发进展缓慢，国际上投入了大量人力财力，近几年有所突破。

甲醇燃料电池工作原理与常规的一次/二次电池相同，能量转化效率高；工作方式与汽油/柴油发电机相似，只要不断提供燃料则可持续稳定发电。甲醇燃料电池主要分为以下三种：一是直接甲醇燃料电池，我们研发了近三十年，其特点是燃料直接注入电堆，电池结构简单、使用携带方便、电池能量密度较高，但能量转化效率较低；二是甲醇通过催化重整，分离净化后进入低温PEMFC。由于重整气中一氧化碳含量高达几万ppm，通常需要多级分离净化，系统复杂，成本较高。三是高温甲醇燃料电池，由于耐高温电解质膜的诞生，电池抗一氧化碳能力大幅提升，甲醇燃料重整气直接通入高温电堆，省略了分离净化步骤，电极反应速率明显提高，近年来已成为国际研发热点之一。高温甲醇燃料电池技术体系与低温PEMFC类似，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。

我们开展甲醇燃料电池研究开发近三十年，从电催化剂、电解质膜、膜电极、单双极板到系统集成、智能控制等，现已完成了电解质膜、多孔电极、膜电极、电堆生产线建设。授权专利230余件，获省部级以上奖9项，其中国家级奖项3项。

市场应用主要有电动车动力电源，船舶动力/辅助电源，小型分散电站等，我们的策略是开发1、5、10、30kW模块，基本可覆盖1-120kW的实际应用。

2016年，我们组装了第一台高温甲醇燃料电池驱动的乘用车，运行结果表明，硫氧化物、氮氧化物近零排放，百公里燃料消耗费小于20元人民币，3辆车在大连试运行，受到了专家同行的一致好评。此外，高温甲醇燃料电池在景区车、房车、工程指挥车、应急电源车等方面应用前景广阔。

在船舶动力/辅助电源方面。联合国海洋公约的颁布实施，对海洋环境要求越来越高。国际航运燃油多半采用重油，污染严重。

11月8日，我们研制的高温甲醇燃料电池游船，在丹灶仙湖下水，动力电源为25kW，辅助电源5kW以满足照明、空调、热水等需求。与传统燃油相比，优势明显。欢迎在座各位去仙湖亲自体验。

在小型分散电站方面，热-电联供的能量转换效率较高，应用前景广阔。