來自：蓋世汽車，4G光元通信
中國愛馳汽車擁有的德國跑車制造商Gumpert正式發(fā)布了Nathalie First Edition量產(chǎn)版，標(biāo)志著世界上第一款由甲醇燃料電池生產(chǎn)氫和電力驅(qū)動的汽車開始生產(chǎn)。
Gumpert Nathalie車型采用了Gumways和愛馳汽車（Aiways）的最新設(shè)計(jì)，并采用了全球首款甲醇燃料，本應(yīng)該在2020年日內(nèi)瓦車展上展出。但由于冠狀病毒，日內(nèi)瓦車展被取消。
Gumpert Nathalie配備了四個電機(jī)，而且該車的發(fā)動機(jī)被安裝在發(fā)動機(jī)罩下，與普通的內(nèi)燃機(jī)一樣，但是該車由燃料電池提供動力，該燃料電池會將甲醇轉(zhuǎn)化為氫。此外，Gumpert Nathalie還配備了一個65升的甲醇燃料箱，可根據(jù)駕駛員的喜好和駕駛風(fēng)格，配置不同的電池組。
甲醇是什么？Gumpert Nathalie車型用什么甲醇？
首先，一共有兩種不同的甲醇燃料，黑色的甲醇燃料以及綠色的甲醇燃料。黑色甲醇以石油為基礎(chǔ)，仍被認(rèn)為是一種化石燃料。不過，Gumpert Nathalie車型采用的是利用生物質(zhì)等可再生能源生產(chǎn)的綠色甲醇。
據(jù)Gumpert所說，通過捕獲空氣中的二氧化碳，并在使用其能量后將其釋放，從而合成了綠色甲醇。合成過程中的水和二氧化碳讓綠色甲醇成為一種清潔的可再生能源。
Gumpert Nathalie性能怎么樣？
Gumpert Nathalie配備的4個電機(jī)會消耗300 kW至600 kW的能量，該車最大馬力可達(dá)536匹，百公里加速時間僅為2.5秒。據(jù)該公司所說，該車最高時速可達(dá)300 km/h.，而且在裝滿甲醇的情況下，續(xù)航里程可達(dá)820公里。
此外，該車為四輪驅(qū)動。由于該公司的創(chuàng)始人Roland Gumpert曾是奧迪運(yùn)動部門的主管，也是奧迪Quattro全輪驅(qū)動系統(tǒng)背后的智囊團(tuán)成員之一，因此該車背后有一個非常堅(jiān)實(shí)的領(lǐng)導(dǎo)人和團(tuán)隊(duì)。
Gumpert Nathalie多少錢？
Gumpert Nathalie是一款特制汽車，該公司表示只會生產(chǎn)500輛。考慮到該車的功能和限量性，可能價(jià)格會有點(diǎn)貴。就目前來看，于2021年交付的首輛Gumpert Nathalie將標(biāo)價(jià)46萬美元。
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中國甲醇燃料電池汽車發(fā)展展望
甲醇作為汽車燃料對于國人來說并不陌生。在過去近二十多年的時間里，甲醇燃料的內(nèi)燃機(jī)的研究一直沒有間斷。
隨著吉利公司的董事長李書福在2017年和2018年的兩會期間對甲醇汽車的宣傳，甲醇汽車開始逐步進(jìn)入民眾的視野。吉利從2005年開始研發(fā)甲醇發(fā)動機(jī)，2015年開始有6輛甲醇轎車走出國門，在冰島進(jìn)行測試。在2017年更是推出新一代的商用車甲醇發(fā)動機(jī)。將甲醇在車輛上的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展。
與甲醇內(nèi)燃機(jī)相對的，還有一條技術(shù)路線是“甲醇?xì)淙剂想姵亍?。由于中國的汽車主機(jī)廠在燃料電池的技術(shù)路線上的投入總體偏少，除上汽在燃料電池方面和新源動力有合作推出榮威750和950兩款燃料電池樣車外，其他公司的產(chǎn)品鮮有報(bào)道。
甲醇燃料電池汽車在中國的誕生是基于電動公交車的迅速發(fā)展！
2011年，世界大學(xué)生運(yùn)動會在深圳舉行。當(dāng)年，市政府決定推廣2011輛新能源車，其中1000輛采用了沃特瑪?shù)牧姿徼F鋰電池。正是這批電池催生了甲醇燃料電池在汽車上的應(yīng)用：因?yàn)槟且慌匿囯姵仉妱榆嚴(yán)锍趟p太快！半年后司機(jī)就開始抱怨里程僅為原來的60-70%！跑相同的里程，充電次數(shù)由原來的一日一充變成一日兩充！司機(jī)在終點(diǎn)站要去換車，讓電力不足的車在那里充電！
如此一來，對電動車的管理提出了新的挑戰(zhàn)。政府主管部門開始擔(dān)憂，如果鋰電池技術(shù)無法突破，將來是否需要對這一批車進(jìn)行報(bào)廢，未來是否可以推廣純電動公交車？
提升電池性能是一種方式，對鋰電池在行車的過程中充電，也不失為一種延長電池壽命，延長續(xù)航里程的方式。
但是用清潔能源發(fā)電的方式，有多少種選擇？
內(nèi)燃機(jī)做混合動力，在深圳同樣有嘗試，但是鎳氫電池組和發(fā)動機(jī)的混動實(shí)際運(yùn)行效果不好。除去內(nèi)燃機(jī)，就是氫燃料電池了。
為了世界大學(xué)生運(yùn)動會，深圳也曾臨時建了一個加氫站，五洲龍公司也生產(chǎn)了幾臺氫燃料電池大巴車，但是在運(yùn)動會以結(jié)束，這些背著氫罐的大巴車就進(jìn)入了車庫，臨時的加氫站也停止了運(yùn)營。
縱觀各類技術(shù)，甲醇制氫發(fā)電似乎是一條不錯的道路。
從深圳電動車日耗電300kWh，工作時間12h左右來推算，25kW的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該可以比較好地解決電力衰減問題。
甚至如果采用10kW的系統(tǒng)，一天補(bǔ)電120kWh，也可以省去“第二次”充電。
在這種背景下，大家開始討論將甲醇重整燃料電池系統(tǒng)“上車”。彼時大家對甲醇重整請燃料電池的理解還是在“固定式應(yīng)用”，尤其是在通信基站方面的應(yīng)用。
知名的燃料電池公司Ballard，曾經(jīng)收購了一家Edatech的公司，該公司基于甲醇重整制氫、提純后進(jìn)入燃料電池電堆發(fā)電的系統(tǒng)被成功應(yīng)用于通信基站，作為后備電源，可以在電網(wǎng)斷電時提供電力供應(yīng)。
該設(shè)備的應(yīng)用場景是通信基站的后備電源，所以專門配置了一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、將甲醇桶也內(nèi)置在柜內(nèi)，所以體積很大，這樣的柜子上車，顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。
但是這類基于甲醇燃料電池的產(chǎn)品給出了一個方向。通過使用液體燃料，將其中所含有的C-H鍵打開，將氫氣取出來，再將氫氣導(dǎo)入到電堆中發(fā)電，發(fā)電的過程無PM2.5，無噪音。
最關(guān)鍵的是1L甲醇水溶液可以發(fā)出1kwh的電量，這是甲醇作為液體燃料的最大優(yōu)勢：能量密度高。純甲醇的能量密度是4.5kwh/L，理想的系統(tǒng)效率達(dá)到50%時，會有10倍于鋰電池的能量密度。
廣東合即得公司對標(biāo)巴拉德公司的ElectraGen的重整制氫系統(tǒng)，在設(shè)備小型化上做了很多研究，選擇了同樣的技術(shù)路線：甲醇和水預(yù)先混好，在重整器內(nèi)預(yù)熱汽化，進(jìn)而重整制氫，氫提純（不純的氣再燃燒提供汽化及重整提純所需要的能量），再進(jìn)入低溫堆發(fā)電。在2013年推出一款體積比該設(shè)備小很多的小型重整制氫設(shè)備，連接巴拉德的電堆組成系統(tǒng)發(fā)電。
該系統(tǒng)引起了深圳五洲龍公司的高度重視，這種組合將可以迅速解決電動車每日兩充的問題，實(shí)現(xiàn)電電混合。
與此同時，廣東合即得也和低速觀光電動車企業(yè)聯(lián)合，推出了2個模塊驅(qū)動的甲醇重整氫燃料電池觀光車。
后來廣東合即得也在乘用車領(lǐng)域與車企開展了一些項(xiàng)目合作，通過對增程式電動車進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)甲醇重整燃料電池與鋰電池的“電電混合”。
這一技術(shù)路線的主要難點(diǎn)在與對氫氣的提純。據(jù)巴拉德的公開文獻(xiàn)稱，他們采用了“鈀管”作為提純裝置。鈀對氫的提純，本質(zhì)是氫穿透鈀膜。鈀膜在300-500DegC的條件下，H2分子會在壓力較高的鈀膜一側(cè)的表面被電離為質(zhì)子和電子，形成一個鈀氫的暫態(tài)物，在壓力低的那一側(cè)在解離成為氫氣和鈀原子。可以理解成是“選擇性過濾膜“。
鈀膜的厚度可以是幾個微米至幾百個微米，需要綜合考慮強(qiáng)度，成本、工藝等因素來制備相應(yīng)的過濾裝置，目前沒有在汽車上大面積使用的主要原因可能還是在成本以及工藝方面。
相比于鈀而言，工業(yè)上大規(guī)模氫提純選用的是PSA，Phase Shift Adsorption（變壓吸附）的工藝。顧名思義，這種技術(shù)有兩大要素：1.吸附劑，2.壓力變化。吸附劑通常以分子篩的形式存在，被裝在一個容器內(nèi)，在高壓力的情況下，氫氣和分子篩結(jié)合，逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，之后進(jìn)行管路切換，降低系統(tǒng)的壓力，這時吸附劑內(nèi)吸附的氫氣會被釋放出來。
2016年，北京氫璞科技有限公司曾經(jīng)和東風(fēng)汽車公司合作開發(fā)一款車載PSA廂式物流車，后來并沒有推向市場。
PSA的小型化比較困難，系統(tǒng)需要較高壓力的氫氣泵，在壓力變化的過程中，也消耗較多的電能，因此制約了其在汽車上的使用。
與這兩類基于”純氫“的技術(shù)路線相對應(yīng)的還有一類技術(shù)是甲醇重整+高溫燃料電池。高溫燃料電池是指工作溫度在160度以上的質(zhì)子交換膜技術(shù)。相比于常溫/低溫的系統(tǒng)工作在85DegC左右，高溫燃料電池的160DegC工作溫度可以保證氫氣在電堆內(nèi)反應(yīng)后的產(chǎn)物都是水蒸氣，而不存在液態(tài)水的可能。這樣可以避免淹堆、反極等低溫燃料電池電堆會碰到的問題。從硬件配置上來講，可以規(guī)避氫氣循環(huán)泵、增濕器等，對于空壓機(jī)的要求也會低很多，可以大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
這類高溫燃料電池兼顧了PAFC磷酸燃料電池和PEM質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，采購用了PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)，通過使用PBI（聚苯并咪唑）膜來和H3PO4磷酸傳導(dǎo)質(zhì)子，雖然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低溫質(zhì)子交換膜小，但是系統(tǒng)效率高。最重要的是，高溫堆能耐受2%的CO，不會形成鉑催化劑中毒。
這套系統(tǒng)中，甲醇和水的混合液重整制氫的過程是一個吸熱的過程，相比之下，還有其他的重整技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)甲醇自熱重整反應(yīng)：導(dǎo)入一定量的氧氣參與氧化，這樣產(chǎn)生的重整器當(dāng)中就會一定量的CO2，水蒸氣以及和O2一起進(jìn)入的N2。自放熱的重整器的優(yōu)勢在于體積可以做得很小，但是缺點(diǎn)也很明顯，會引入空氣，導(dǎo)致最后進(jìn)入電堆的氣體中非氫氣的成分較多。
甲醇和水的混合液在氣化的過程中，需要吸收大量的熱，這一部分的熱，在使用高溫燃料電池時，可以由電堆工作時的”廢熱“來提供。高溫電堆的廢熱溫度在160DegC，可以將甲醇和水的混合液充分地汽化，這樣大大節(jié)約了能源，提高了系統(tǒng)的效率。通過使用集成式的散熱器，可以大大縮小體積，可以使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。
蘇州氫潔電源科技有限公司在2016年和東風(fēng)特汽聯(lián)合開發(fā)了一款基于甲醇重整氫燃料電池系統(tǒng)的T7型電動物流車，并在2018年獲得工信部公告。
除電動物流車外，廣獲關(guān)注的還包括軍民融合項(xiàng)目中的”靜默式發(fā)電車”。改車由傳統(tǒng)依維柯柴油車改建而成，裝有30kW的燃料電池，近50kWh高倍率電池，攜帶可以發(fā)出1000kWh電力的甲醇水，能靜默發(fā)電，滿足諸多軍事供電需求。
2018年北京車展時，愛馳公司展出一款續(xù)航里程達(dá)1200公里的電動超跑，該車搭載一臺5kW的甲醇重整燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，再配一個甲醇箱，采用“電”-“電”混合的模式，來為電池提供電力補(bǔ)充。
2018年10月在江蘇如皋世界氫能大會上，另一家造車新勢力的公司W(wǎng)eltmeister威馬公司推出一款基于直接甲醇燃料電池的汽車，頗為引人注目，但技術(shù)方面的報(bào)道甚少。
總體而言，基于甲醇作為液體燃料的諸多優(yōu)勢，在車載領(lǐng)域甲醇有較廣的應(yīng)用空間，可以從APU輔助電源設(shè)備開始，逐步拓展為增程器，車載發(fā)電機(jī)。
可以預(yù)見，作為一種能源載體，甲醇將會和電動汽車緊密結(jié)合，走出一條“分布式”可再生能源的新路，發(fā)展成為中國特色的新能源體系。
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