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4月28日，在氫能大咖分享匯——“西部氫能發(fā)展研討會”線上演講環(huán)節(jié)中，來自中自環(huán)?？萍糚EMFC技術(shù)首席科學(xué)家周衛(wèi)江先生帶來《批量化生產(chǎn)催化劑的性能提升策略》報告演講。
本次報告重點講解了國產(chǎn)電催化劑的現(xiàn)狀、催化劑的性能、提升性能的策略和方法、中自環(huán)?？萍脊煞莨窘榻B四個部分。
在過去的一個多世紀(jì)中，眾多與能源相關(guān)的工業(yè)不斷排放溫室氣體，導(dǎo)致環(huán)境污染。從源頭來看，氫能的利用是實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”偉大目標(biāo)的重要抓手。
而氫能產(chǎn)業(yè)鏈非常廣闊，涉及到眾多產(chǎn)業(yè)與專業(yè)，包括制備、儲備、運輸和利用，這其中燃料電池技術(shù)是實現(xiàn)氫能高效利用最重要的途徑。
燃料電池技術(shù)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈處于承上啟下的重要地位。
因此，國家能源局將氫能和燃料電池技術(shù)列為“十四五”期間能源技術(shù)裝備的重點任務(wù)之一。
燃料電池本身是一個非常完整的產(chǎn)業(yè)鏈，這其中電催化劑處于產(chǎn)業(yè)鏈的最上端，是燃料電池系統(tǒng)中的核心材料。
電催化劑目前主要是以鉑基為主，是燃料電池系統(tǒng)中成本占比最高的材料，而且隨著燃料電池的推廣和應(yīng)用、產(chǎn)能的提升，鉑基電催化劑的成本占比可能不降反升，因此電催化劑是我們國產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展最大瓶頸之一。
目前國內(nèi)燃料電池所使用的催化劑大部分是進口產(chǎn)品，這個占比仍然處在80%左右。膜電極方面也是類似的情況，所以是國產(chǎn)燃料電池發(fā)展“卡脖子”的一個難點。
同時也說明這個市場潛力是巨大的，相信在國家政策強力推動下，國產(chǎn)化進程還是會不斷提速，周衛(wèi)江先生表示希望盡快扭轉(zhuǎn)這一局面。
國產(chǎn)電催化劑的現(xiàn)狀方面，周衛(wèi)江先生認為在2025年前后，甚至更遠一點，鉑基電催化劑仍然是氫燃料電池的主流催化劑，非鉑催化劑還無法實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。
在燃料電池的所有關(guān)鍵材料和部件中，隨著燃料電池的推廣和產(chǎn)能的提升，鉑基電催化劑可能是唯一漲價的材料，其成本占比可能會增加，需要提前做好準(zhǔn)備。
目前國內(nèi)鉑基電催化劑的市場仍然被國外產(chǎn)品把持，例如J.M、TKK、Umicore，但國產(chǎn)催化劑也在迎頭趕上，國家政策支持優(yōu)先采用國內(nèi)產(chǎn)品。
國產(chǎn)電催化劑的初始活性和批量化產(chǎn)能方面都有明顯提升，并具有一定競爭力，產(chǎn)品耐久性方面還需要繼續(xù)強化。
關(guān)于催化劑性能方面，本次周衛(wèi)江先生重點講述催化劑性能耐久性問題。
導(dǎo)致鉑基電催化劑失活或者性能降低有許多因素，其中兩個重要的因素是涉及鉑粒子的失效、碳載體的電化學(xué)腐蝕等。
鉑粒子的變化和中毒非常明顯，鉑基金屬粒子在使用過程中會發(fā)生燒結(jié)、聚集、遷移、脫落、溶解等各種問題。另外燃料電池在使用時，環(huán)境或燃料電池內(nèi)部會有一些雜質(zhì)也會導(dǎo)致鉑活性位中毒。
而碳載體的電化學(xué)腐蝕會導(dǎo)致鉑基金屬粒子的流失、催化層減?。ń佑|內(nèi)阻增加），同時催化層親水性也會很強，容易發(fā)生水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致膜電極性能大幅度下降。
燃料電池非規(guī)范操作會導(dǎo)致燃料電池膜電極及催化劑的嚴(yán)重損失甚至完全失敗。
當(dāng)電催化劑批量化生產(chǎn)時，工藝路線的選擇、產(chǎn)品質(zhì)量的控制顯得尤為重要，提高產(chǎn)能的時候不可避免會遇到放大效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品均一性、一致性不容易實現(xiàn)。
周衛(wèi)江先生表示，環(huán)保問題需要大家認真考慮，由于燃料電池是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手和技術(shù)關(guān)鍵，因此在其核心材料方面，電催化劑的生產(chǎn)過程必須是一個“綠色”的過程，必須要考慮降低碳排放、各種廢物的排放，以及回收利用，這樣才能實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的目標(biāo)，符合發(fā)展氫能、燃料電池的初衷。
對于電催化劑耐久性提升的策略和方法，周衛(wèi)江先生認為國產(chǎn)碳載鉑基催化劑在初始活性、粒徑控制、低電位耐久性等方面已經(jīng)與國外同類產(chǎn)品旗鼓相當(dāng)，甚至略勝一籌，但在高電位耐久性等方面還有待繼續(xù)強化。
提高鉑基電催化劑的耐久性可以從原材料、制備工藝及后處理等方面著手，既要強化和修飾載體材料、采用更有利于批量化生產(chǎn)的工藝技術(shù)，還要在鉑碳初級產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行必要的后處理或功能修飾。
采用石墨化程度較高的碳載體材料，并經(jīng)過必要的表面功能化處理后，即可保障鉑基納米粒子的分散度，又能在一定程度上提升催化劑的耐久性。
碳載鉑基催化劑的后處理工藝及條件對提升其耐久性效果更為直接明顯。
被稱為“國內(nèi)燃料電池電催化劑第一股”的中自環(huán)?？萍脊煞萦邢薰境闪⒂?005年，已于去年十月份登錄科創(chuàng)板，公司主要業(yè)務(wù)有發(fā)動機排放后處理催化劑及相關(guān)服務(wù)，和氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)催化劑等，是國家級專精特新“小巨人”企業(yè)。
中自環(huán)保科技股份有限公司在2018年成立了氫能研發(fā)中心，去年參與國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)專項”高性能/抗中毒車用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)。曾榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎1項、中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎1項、四川省科學(xué)技術(shù)進步一等獎2項和中國稀土科學(xué)技術(shù)二等獎1項。
