如何降低燃料電池的生產(chǎn)成本？選對合適的催化劑是關(guān)鍵！
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-24 02:27
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氫燃料電池上游包含電池組件和氫能兩大類，氫能產(chǎn)業(yè)鏈有三大環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都有很高的技術(shù)壁壘和技術(shù)難點(diǎn)，目前上游的電解水制氫技術(shù)、中游的化學(xué)儲氫技術(shù)和下游的燃料電池在車輛和分布式發(fā)電中的應(yīng)用被廣泛看好；電池組件包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、水泵、氫泵、儲氫器、加濕器等。產(chǎn)業(yè)鏈中游是燃料電池系統(tǒng)的組裝部分。產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用主要有固定發(fā)電、交通運(yùn)輸、便攜式電子以及包含軍事、航天在內(nèi)的特殊領(lǐng)域。
氫燃料電池關(guān)鍵材料—催化劑
燃料電池核心系統(tǒng)是電堆，其成本占整個(gè)燃料系統(tǒng)的60%。如果說電堆是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的決定因素，那么催化劑和質(zhì)子交換膜就是整個(gè)氫燃料電池行業(yè)的命脈。2017年，中國一共生產(chǎn)了1272輛燃料電池商用車，催化劑和質(zhì)子交換膜基本全部依托進(jìn)口。因而，催化劑和質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化是氫燃料電池發(fā)展的亟需解決的核心材料問題。氫燃料電池電堆系統(tǒng)主要由催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜等組成。是氫燃料電池電堆成本構(gòu)成，其中催化劑所占電堆成本比例最高，這主要是當(dāng)前商業(yè)化催化劑的種類限制所致。催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。由于PEMFC工作溫度不足100oC，對催化劑活性要求很高，而鉑(Pt)催化劑具有良好的分子吸附、離解特性，因此鉑催化劑成為最理想、也是當(dāng)前唯一商業(yè)化的催化劑材料。鉑金屬價(jià)格昂貴，我國的儲存量也非常短缺。
Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過燃料電池衰減機(jī)制分析可知，燃料電池在車輛運(yùn)行工況下，催化劑會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生Pt納米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。這些問題都是制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，針對這些成本和耐久性問題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點(diǎn)問題之一。目前，已經(jīng)研發(fā)出的催化劑的種類主要有鉑基催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑。
鉑基催化劑材料在質(zhì)子交換膜燃料電池的催化層中Pt載量一般為：陽極0.3mg/cm2、陰極0.4mg/cm2，每輛燃料電池乘用車需要Pt約50g，大巴需要約100g。Pt昂貴的價(jià)格對于燃料電池大規(guī)模商業(yè)化是個(gè)極大的阻礙。因此，研發(fā)低鉑和非鉑系催化劑是目前研究重點(diǎn)。在低鉑系催化劑方面，核殼類催化劑和納米結(jié)構(gòu)催化劑是研究熱點(diǎn)，主要原理是利用結(jié)構(gòu)化修飾得到具有特殊形貌和晶面的優(yōu)化分布的材料，使其具有更優(yōu)異的性能。核殼類催化劑以催化劑活性組分作為殼，以過渡金屬元素作為核，具有很高的貴金屬利用率和氧還原催化活性。納米結(jié)構(gòu)催化劑在氧還原反應(yīng)活性方面也較傳統(tǒng)Pt催化劑高出50%。Pt單原子殼層核殼催化劑尤其能最大限度地提高Pt催化劑的利用率。因此催化劑的特殊納米結(jié)構(gòu)化是燃料電池低鉑載量的重要研發(fā)方向。非鉑系催化劑的研究重點(diǎn)在三塊：鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑。鈀基催化劑使用金屬鈀(Pd)代替Pt，Pd具有儲量豐富、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但Pd基催化劑的催化活性遠(yuǎn)不及Pt基催化劑，需要通過調(diào)節(jié)表面電子結(jié)構(gòu)來獲得與Pt基催化劑相當(dāng)?shù)拇呋钚?。在眾多非貴金屬催化劑中，過渡金屬-氮-碳化合物因其具有可觀的催化活性。非金屬催化劑的研究主要是各種雜原子摻雜的納米碳材料，包括硼摻雜、氮摻雜、磷摻雜等。碳材料摻雜后能明顯提升氧還原催化活性，但催化劑的穩(wěn)定性較Pt基催化劑仍有較大差距。非鉑催化劑真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要解決高活性、高穩(wěn)定性的問題。因此，對于開發(fā)廉價(jià)、高效、可產(chǎn)業(yè)化的催化劑仍然具有非常高的挑戰(zhàn)性。
氫燃料電池關(guān)鍵材料—催化劑
燃料電池核心系統(tǒng)是電堆，其成本占整個(gè)燃料系統(tǒng)的60%。如果說電堆是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的決定因素，那么催化劑和質(zhì)子交換膜就是整個(gè)氫燃料電池行業(yè)的命脈。2017年，中國一共生產(chǎn)了1272輛燃料電池商用車，催化劑和質(zhì)子交換膜基本全部依托進(jìn)口。因而，催化劑和質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化是氫燃料電池發(fā)展的亟需解決的核心材料問題。氫燃料電池電堆系統(tǒng)主要由催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜等組成。是氫燃料電池電堆成本構(gòu)成，其中催化劑所占電堆成本比例最高，這主要是當(dāng)前商業(yè)化催化劑的種類限制所致。催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。由于PEMFC工作溫度不足100oC，對催化劑活性要求很高，而鉑(Pt)催化劑具有良好的分子吸附、離解特性，因此鉑催化劑成為最理想、也是當(dāng)前唯一商業(yè)化的催化劑材料。鉑金屬價(jià)格昂貴，我國的儲存量也非常短缺。
Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過燃料電池衰減機(jī)制分析可知，燃料電池在車輛運(yùn)行工況下，催化劑會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生Pt納米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。這些問題都是制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，針對這些成本和耐久性問題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點(diǎn)問題之一。目前，已經(jīng)研發(fā)出的催化劑的種類主要有鉑基催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑。
鉑基催化劑材料在質(zhì)子交換膜燃料電池的催化層中Pt載量一般為：陽極0.3mg/cm2、陰極0.4mg/cm2，每輛燃料電池乘用車需要Pt約50g，大巴需要約100g。Pt昂貴的價(jià)格對于燃料電池大規(guī)模商業(yè)化是個(gè)極大的阻礙。因此，研發(fā)低鉑和非鉑系催化劑是目前研究重點(diǎn)。在低鉑系催化劑方面，核殼類催化劑和納米結(jié)構(gòu)催化劑是研究熱點(diǎn)，主要原理是利用結(jié)構(gòu)化修飾得到具有特殊形貌和晶面的優(yōu)化分布的材料，使其具有更優(yōu)異的性能。核殼類催化劑以催化劑活性組分作為殼，以過渡金屬元素作為核，具有很高的貴金屬利用率和氧還原催化活性。納米結(jié)構(gòu)催化劑在氧還原反應(yīng)活性方面也較傳統(tǒng)Pt催化劑高出50%。Pt單原子殼層核殼催化劑尤其能最大限度地提高Pt催化劑的利用率。因此催化劑的特殊納米結(jié)構(gòu)化是燃料電池低鉑載量的重要研發(fā)方向。非鉑系催化劑的研究重點(diǎn)在三塊：鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑。鈀基催化劑使用金屬鈀(Pd)代替Pt，Pd具有儲量豐富、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但Pd基催化劑的催化活性遠(yuǎn)不及Pt基催化劑，需要通過調(diào)節(jié)表面電子結(jié)構(gòu)來獲得與Pt基催化劑相當(dāng)?shù)拇呋钚?。在眾多非貴金屬催化劑中，過渡金屬-氮-碳化合物因其具有可觀的催化活性。非金屬催化劑的研究主要是各種雜原子摻雜的納米碳材料，包括硼摻雜、氮摻雜、磷摻雜等。碳材料摻雜后能明顯提升氧還原催化活性，但催化劑的穩(wěn)定性較Pt基催化劑仍有較大差距。非鉑催化劑真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要解決高活性、高穩(wěn)定性的問題。因此，對于開發(fā)廉價(jià)、高效、可產(chǎn)業(yè)化的催化劑仍然具有非常高的挑戰(zhàn)性。
