氢燃料电池催化剂的技术路线国内外厂商发展方向等,重磅“干货”了解一下!

国家近年来重点支持氢燃料电池汽车,推动产业化发展。氢能利用也将由最初的燃料电池汽车逐渐向其他交通领域扩展,燃料电池船舶、燃料电池无人机也成为发展重点,德国、美国、日本、韩国等国家均较为重视氢能在交通领域的产业化进程。

燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心,主要由双极板、催化剂、膜电极、质子交换膜等构成,其中催化剂和双极板的成本占比最高,分别约为36%和23%。通用汽车公司推出的新一代燃料电池汽车,每辆车用铂量在30克左右,燃料电池是铂金属催化剂重要的潜在消费市场。随着各国政府对氢燃料电池汽车产业的扶持及关键技术的突破,未来几年燃料电池汽车产业将迎来爆发式增长。

目前世界上有很多国家在质子交换膜燃料电池汽车方面开展了大量的研究和示范工作。表1展示了几个具有代表性的汽车公司研发的燃料电池汽车的功率、铂用量和耐久时长参数。从表中可以看出目前燃料电池铂用量最少的是丰田公司,约为0.17g/kW,但是此数值仍与美国能源部的目标值0.125g/kW有不小的距离。因此,研发低铂载量、高活性、高稳定性的燃料电池催化剂任务艰巨。

目前,我国燃料电池催化剂产品性能稳定性差,和国外比存在不小差距。此外我国燃料电池催化剂研究比较分散,大都集中在科研院所和高校,尚未实现可规模化生产、性能优异且稳定的产业化应用。

铂(Pt)催化剂具有良好的分子吸附、离解特性,因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。但是,铂金属价格昂贵,我国的储存量也非常短缺,Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。

铂基催化剂材料在质子交换膜燃料电池的催化层中Pt载量一般为:阳极0.2mg/cm2、阴极0.4mg/cm2,每辆燃料电池乘用车需要Pt约50g,大巴需要约100g。其除了受成本与资源制约外,也存在耐久性问题(主要体现在稳定性上)。

针对成本和耐久性问题,目前的技术研发路线集中在开发新型高稳定、高活性的低Pt用量催化剂体系,其方法一般采用高温形成铂合金的方法,以进一步提升铂原子的催化本征活性;以及将铂纳米催化剂形貌化,形成核壳类、八面体、一维纳米线结构的催化剂微结构,以最大化铂原子的利用率。而催化剂的终极研发目标将使完全不使用贵金属铂成为可能,即开发出非贵金属催化剂。在完成非贵金属催化剂的产品化后,氢燃料电池技术将真正成为世界能源储存与转化结构中最重要的环节之一。

氢燃料电池催化剂技术发展路线

国外铂基催化剂产业发展较成熟的有庄信万丰催化剂公司(JohnsonMattheyCatalysts)、比利时优美科公司(Umicore)、日本Tanaka公司和日清坊株式会社等,我国目前以进口国外催化剂为主。目前铂载量最低的是日本的Tanaka,主要供应本田Clarity系列;日清坊株式会社主要供应巴拉德的燃料电池系统,其核心技术为铂合金化催化剂;JohnsonMatthery的HiSPEC系列催化剂主要为铂及铂钌合金类,纯铂催化剂用于氢燃料电池,其3种型号的产品铂负载量为40%,57%和72%,合金类用于甲醇燃料电池,是目前全球最大和最专业的催化剂生产厂家,此外还有美国Gore和3M公司,但其业务重点在膜电极方向,催化剂业务比重较小。

目前,也有很多国内企业在迅速发展,如贵研铂业、喜马拉雅光电、擎动科技等,已初步形成打破国外垄断之势。

国内外燃料电池催化剂生产企业及技术特点

生产厂家

所处国家

产品种类

技术特点

JohnsonMatthey

英国

Pt/C,PtRu/C等

碳载体复合各类贵金属

Umicore

比利时

Pt/C

碳载铂,高载量,高分散度

3M

美国

Pt/C,有序化铂催化剂

纳米形貌结构

Gore

高分散度

日本Tanaka公司

日本

Pt/C,Pt3Co/C

合金化,单原子层

日清坊株式会社

铂合金,非铂

合金化,碳基金属复合物替代铂

贵研铂业

中国

低原料成本

武汉喜马拉雅光电

高活性

武汉理工新能源

上海济平

颗粒均匀

中科科创

国外

JohnsonMattheyCatalysts(庄信万丰催化剂)作为全球最大的催化剂公司之一。JM推出的PEMFC催化剂类型众多,根据不同的铂含量,主要分3种产品,HisPEC4000、9100和13100,含铂量38~73.5wt%,并且可以根据用户的需求定制含铂量更低的催化剂,该系列产品在世界范围内广泛销售。

国内

武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司2008年创立,2015年武汉喜玛拉雅光电与清华大学签订技术成果转让合同,并成立了清华喜玛拉雅氢燃料电池产业化基地。

清华大学氢燃料电池实验室与武汉喜玛拉雅光电科技公司的联合研发团队目前已攻克燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题。目前,该催化剂获得17项专利,产能达到每天1200克,且价格仅为进口产品一半。催化剂系列化产品已应用在中科院、高校和多家燃料电池公司的燃料电池电堆中。18年底,采用该催化剂生产的氢燃料电池可达1000台。

南京东焱氢能源科技有限公司是依托于南京市麒麟科技创新园,由南京大学、南京森焱投资管理有限公司以及江苏启迪科技园发展有限公司共同创办的高新技术企业。公司主要从事氢燃料电池和工业催化材料的研发、生产与销售,在纳米催化剂、纳米电极和氢能发电系统等方面具有核心专利技术。

宁波中科科创新能源科技有限公司成立于2015年08月,致力于纳米贵金属及其合金催化剂和燃料电池膜电极的研发、规模生产与推广应用。

该公司拥有多项核心技术,包括贵金属基催化剂规模化制备技术、合金催化剂规模化制备技术和膜电极规模化制备技术等。

中科科创新能源推出的高金属载量催化剂适用于氢-氧(空)质子交换膜燃料电池、直接醇类燃料电池、金属-空气电池和传感器等。

目前,该公司已与上海交通大学燃料电池研究所、昆山南京大学创新研究院、河森电气、昆山桑莱特等建立了良好合作关系。

该公司的主要产品是膜电极、催化剂、空冷型燃料电池电堆。其中,膜电极和催化剂是核心产品。膜电极产品包括车载膜电极、CCM膜电极、传感器专用膜电极、电解水制氢膜电极。

公司负责人接受采访称,目前膜电极已小批量给泓林新能源供货。催化剂有铂碳催化剂、铱黑催化剂、铂黑催化剂等。

上海济平新能源科技有限公司成立于2018年8月,公司主要研发生产燃料电池催化剂和气体扩散层。该公司打造燃料电池关键材料的国产化量产,济平催化剂产品主要可分为铂与铂合金,2019年计划量产1公斤/天,长期目标3-5公斤/天。

济平气体扩散层团队拥有多年丰富的配方及材料学知识及经验,使浆液稳定且流动性质适于涂抹于多孔碳载体上,计划量产100平方米/天,长期目标200-300平方米/天。

2020年7月,上海济平新能源科技有限公司和广东省佛山市南海区人民政府针对燃料电池催化剂全自动化产线项目正式签约。据悉,目前济平新能源已经在广东省设立全资子公司“广东济平新能源科技有限公司”,该项目选址于佛山市南海区丹灶镇,厂房面积约3500平方米,主要生产燃料电池催化剂,项目投产后预计年产量2吨催化剂,可配套2万台套电堆,项目达产后预计年产值6亿元。目前济平自主研发并量产的催化剂有三款铂碳催化剂,一款铂合金催化剂。

报告期(2017年1月1日至2020年6月30日)内,公司在氢燃料电池催化剂制备技术方面取得重大突破,性能已获得市场认可。

在研项目中,公司提到:质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂的研究。研究阶段与进展:单批次百克级制备技术研究阶段。拟达到的目标:研发出单批次公斤级制备技术,催化初始活性和耐久性均达到国际先进水平。

该项目将独自完成。该项目通过研究高稳定载体和特殊形貌催化剂的制备技术来提高催化剂电化学性能和耐久性,降低铂含量;通过生产工艺的革新,大幅提高产品的稳定性和生产效率。力争实现铂载量降低30%以上、耐久性提高30%、批次稳定性>99.5%的目标,早日商品化应用。

本文参考资料:

5.唐柳,于力娜,张克金,朱雅男,朱云,杨帅,《汽车文摘》,一汽解放汽车有限公司商用车开发院,“质子交换膜燃料电池催化剂研究进展“

THE END
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