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盘点中国燃料电池催化剂5大进展(2017-2018年)

2018-07-23

2018年7月10日,日本田中控股株式会社宣布,田中贵金属工业株式会社将增设位于神奈川县的开发制造燃料电池用电极催化剂的燃料电池催化剂开发中心。通过此次增设,可将目前的生产能力提高7倍。增设大楼预计2018年7月18日竣工,于2019年1月起正式启用。


催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极(MEA)的关键材料之一,决定了其放电性能和寿命。催化剂分为铂催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。由于PEMFC工作温度不足100℃,对催化剂活性要求很高,因此,铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂。


亚化咨询《中国氢能与燃料电池年度报告2018》显示,2017年至今中国燃料电池用催化剂研发与市场进展如下。


北京大学


2018年6月,北京大学工学院郭少军团队开发了一种新型哑铃状的PtFe-Fe2C纳米粒子。该催化剂在酸性介质中的氧还原的比活性和质量活性分别达到了353mA/cm2和1.50A/mg,比商业铂碳催化剂分别高出11.8倍和7.1倍,且具有极为优异的电化学稳定性,经历5000个循环,催化剂的活性几乎没有衰减。


武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司


2018年4月,武汉喜玛拉雅光电自主研发的燃料电池Pt/C催化剂量产技术取得突破。资料显示,该催化剂采用清华大学催化剂制备工艺。技术突破包括:


1. 采用连续合成工艺,实现产品性能的高一致性,各项指标可控制在±1%以内;


2. 产能达到1200g/日规模,可满足40台36kW燃料电池电堆使用,具备工业化生产及营销所需各项条件;


3. 采用优化载体处理工艺,载体循环寿命达到国际商用同等催化剂的5倍以上,极大提高了催化剂在车用工况下的使用寿命;


4. 催化剂综合性能(极化、电化学活性面积、质量比活性)均达到或超过国际商用同等级催化剂性能;


5. 系列化催化剂产品通过了清华大学分析中心的检测和欧盟CE认证,各项性能指标符合设计要求; 


量产Pt/C催化剂主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%几种规格,具有高活性、高稳定性、低成本优势。


上海交通大学


2017年7月,上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所章俊良教授课题组成功制备出具有单分散性的球形高活性PdxNi1-x@Pt/C核壳纳米催化剂,在不损失燃料电池寿命的前提下,可大幅降低燃料电池的铂用量。


中国科学技术大学


2017年7月,中国科学技术大学曾杰教授课题组与合作者共同设计出一种直径仅有1.3纳米的、铑原子掺杂的超细纳米线铂催化剂,铂原子的利用率达到48.6%。研究表明,该催化剂质量活性和比活性分别达到了商业铂碳催化剂的7.8倍和5.4倍。同时,该催化剂在循环使用1万次后,仅损失了9.2%的质量活性。


大连理工大学


2017年1月,大连理工大学化工学院能源电化学工程宋玉江教授团队将分子自组装技术与高温热解方法结合制备出一种非贵金属电催化剂,有效提高了燃料电池电催化剂的耐久性。


亚化咨询《中国氢能与燃料电池年度报告2018》显示,铂用作PEMFC催化剂存在如下三个问题:


1)铂资源匮乏:公开资料显示,全球铂金储量仅1.4万吨;美国地质调查局数据显示,2016年全球铂产量仅191吨;


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2)价格昂贵:铂是一种贵金属,价格昂贵,这也使得燃料电池成本居高不下,进而影响其商业化与推广普及;


3)抗毒能力差:铂基催化剂与燃料氢气中的一氧化碳、硫等物质发生反应会导致其失去活性,无法再进行催化作用,进而导致电堆寿命缩减。


按照2016年10月,中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》,2030年,中国燃料电池车发展规模要达到百万辆,亚化咨询假设每辆燃料电池车用铂量为20g,则2030年中国燃料电池车铂的需求量为20吨。但事实上,值得注意的是,铂在催化中并未发生损耗,绝大部分可以回收再利用。


资料显示,当前多数燃料电池催化剂还停留在实验室制备水平,一般为毫克级,而量产技术需要公斤级甚至吨级。亚化咨询认为,对燃料电池催化剂相关科研单位与企业来说,不仅需要持续对低铂与非铂催化剂的研发,还应加强现有铂催化剂的批次一致性,此外还要提早对催化剂回收再利用上做针对性的布局。