氢燃料电池催化材料的挑战与机遇-第2页-北极星储能网

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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0.3mg/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。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。因此，研发低铂和非铂系催化剂是目前研究重点。在低铂系催化剂方面，核壳类催化剂和纳米结构催化剂是研究热点，主要原理是利用结构化修饰得到具有特殊形貌和晶面的优化分布的材料，使其具有更优异的性能。核壳类催化剂以催化剂活性组分作为壳，以过渡金属元素作为核，具有很高的贵金属利用率和氧还原催化活性。纳米结构催化剂在氧还原反应活性方面也较传统Pt催化剂高出50%。Pt单原子壳层核壳催化剂尤其能最大限度地提高Pt催化剂的利用率。因此催化剂的特殊纳米结构化是燃料电池低铂载量的重要研发方向。非铂系催化剂的研究重点在三块：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。钯基催化剂使用金属钯(Pd)代替Pt，Pd具有储量丰富、价格便宜的优点。但Pd基催化剂的催化活性远不及Pt基催化剂，需要通过调节表面电子结构来获得与Pt基催化剂相当的催化活性。在众多非贵金属催化剂中，过渡金属-氮-碳化合物因其具有可观的催化活性。非金属催化剂的研究主要是各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂等。碳材料掺杂后能明显提升氧还原催化活性，但催化剂的稳定性较Pt基催化剂仍有较大差距。非铂催化剂真正实现产业化还需要解决高活性、高稳定性的问题。因此，对于开发廉价、高效、可产业化的催化剂仍然具有非常高的挑战性。

2017年1月，大连理工大学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。2017年7月，上海交通大学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。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。2018年4月，武汉喜玛拉雅光电采用清华大学催化剂制备工艺自主研发的燃料电池Pt/C催化剂量产技术取得突破。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。最新2019年1月31日《自然》研究报道，中国科学技术大学，研制出一种新型催化剂，攻克了新能源汽车氢燃料电池汽车推广应用的关键难题：解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机，延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境，在寒冬也能正常启动。这些关键性的研究成果具有里程碑意义，表明中国正在加快掌握燃料电池催化剂材料产业的核心技术，逐步打破国外长期的技术封锁。

3.氢燃料电池催化材料专利及国内外重点公司分析

从图5可以看到2002-2018年氢燃料电池催化材料相关专利申请数量变化，可以看到从2015年开始氢燃料电池催化材料相关专利申请数量明显上升，主要由于国家对氢燃料电池提出技术创新、突破的政策导向使得对氢燃料电池催化材料的研究和开发引起高校、研究院所及新能源型企业的极大关注。另外，随着我国对于知识产权的重视，企业也越来越意识到核心技术需要专利的保护，因此，对于专利的申请也更加积极。从图6可以看出近年来氢燃料电池催化剂材料相关专利主要单位、企业的申请专利数量。专利申请主要有公司企业和高校，基本是新能源相关企业，高校也有相关专业的研究团队。据此，表明氢燃料电池催化材料技术在稳定推进和发展。催化技术的革新、保护，这也是为逐步实现清洁氢燃料能源大规模使用的重要的一步。

数据来源：百腾网检索统计

图5 近年来氢燃料电池催化材料相关专利申请数量

数据来源：百腾网检索统计

图6 近年来氢燃料电池催化材料相关专利主要单位、企业申请数量

目前，国外氢燃料电池Pt催化剂材料领军企业主要生产厂家包括美国Gore、Johnson Matthery、田中贵金属等。Gore是生产质子交换膜和膜电极各组件的企业，催化剂仅占业务的一部分。相比而言，Johnson Matthery和田中贵金属是更为专业的燃料电池催化剂生产商。田中贵金属针对燃料电池车，开发了性能与耐久度更为优异的电极催化剂，被应用于本田新型燃料电池车Clarity。Johnson Matthery自90年代就开始研究燃料电池及各部件，2000年成立了燃料电池材料公司Johnson Matthey Fuel Cells Ltd，并与全球最大的铂供应商Anglo Platinum建立了长期合作关系。Johnson Matthey的催化剂产品类型多样，包括纯铂、合金、含有和不含催化剂载体。

国内贵研铂业、新源动力和武汉理工新能源都从事了燃料电池催化剂的研发。其中，新源动力和武汉理工新能源的主要研究方向分别为电堆和膜电极，催化剂生产的比重较小，类似于美国Gore。而贵研铂业近年来将研究重心放在贵金属工业催化剂。此外，目前国内的武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司在清华大学技术支持下也能日产200g的Pt/C燃料电池催化剂材料。当前，氢燃料电池核心催化材料已取得一定研究成效，而大批量的生产和回收技术仍然有待创新和提升。在国家政策大力支持下，国内研究机构、企业制备高效氢燃料电池催化剂之路仍然充满了挑战和机遇。

原标题：氢燃料电池催化材料的挑战与机遇

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