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燃料电池催化剂“起量” 9家企业研发最新进展

   日期:2019-05-31     来源:高工氢燃料电池    浏览:1034    评论:0    
前言:目前全球每年的铂金产量约200吨左右,主要应用于汽车、工业、首饰等领域。过去5年,汽车催化剂领域的铂金需求大约占总需求的37%到41%,其中,燃料电池汽车对铂的需求量最高。

贺利氏贵金属事业部-全球研发与创新负责人Dr. Philipp Walter在“2019铂金及氢能产业峰会”表示氢能经济与铂族金属(PGMs)市场互相影响,中国将在氢能经济中发挥主导作用。

根据中国汽车工程学会编制的中国节能和新能源汽车技术路线图,中国在2025年将至少有5万辆氢燃料电池车在路上行驶,而到2030年将达到100万辆燃料电池车。世界铂金投资协会据此预测中国氢燃料汽车产业对铂金的需求将高达有16吨。

可见,未来中国氢燃料电池车市场的增长将对铂金需求产生积极影响。

资料显示,目前全球每年的铂金产量约200吨左右,主要应用于汽车、工业、首饰等领域。过去5年,汽车催化剂领域的铂金需求大约占总需求的37%到41%,其中,燃料电池汽车对铂的需求量最高。

早期氢燃料电池汽车的铂用量为30-80 g/辆,铂消耗量为传统柴油车的3-8倍。近年来,随着技术进步,单车铂含量有所下降。目前,丰田等第一梯队车企的氢燃料电池汽车铂用量为0.17g/kW(约20g/辆)。未来该指标有望进一步降低。据美国能源局消息,2020年将实现单车铂用量低至0.125g/kW(约14.7g/辆),但这一含量仍然高于传统的柴油汽车耗量。

铂金适合作为燃料电池汽车的催化剂,因为它能使氢和氧以最佳速率进行反应,同时又足够稳定,能够承受燃料电池内部复杂的化学环境和高电流密度,长期有效地发挥作用。

铂基氢燃料电池内部结构图

(注:铂基氢燃料电池工作原理为利用氢气通过铂催化剂,分解成两个氢离子和两个电子,通过质子交换膜筛选后,电子由负极流向正极形成电流驱动电机)

但有业内人士指出,使用铂金作为氢燃料电池催化剂存在两个问题。一是,全球铂产量很低,价格高昂,导致氢燃料电池汽车成本居高不下;二是,铂金催化剂容易“中毒休克”。无论是空气还是氢气里面有一氧化碳、氮氧化物或硫化物的话就会中毒,一旦中毒变不出质子,电子也就出不来了,而且会在电堆里挥发不出去,必须从膜里拿下来重新冶炼。这就会影响电堆的寿命。

高工氢电梳理发现,目前国内外至少有9家公司在从事燃料电池催化剂的研发,具体如下:

1、Johnson Matthery

Johnson Matthery是全球最大的催化剂公司之一,公司自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。

2、田中贵金属

田中贵金属从1985年展开燃料电池催化剂研究,在该领域拥有极为深厚的技术积累。其集结长年培育的贵金属催化剂技术及电化学技术,开发了 PEFC 的阴极(空气极)用高活性白金催化剂,以及阳极(燃料极)用耐一氧化碳(CO)毒害特性的优良白金合金催化剂。凭借出色性能表现和稳定的批量供货,田中贵金属工业催化剂产品被应用于本田新型燃料电池车Clarity。

3、优美科

优美科自20世纪80年代末开始开发用于各种聚合物电解质膜(PEM)燃料电池技术的燃料电池催化剂,产品设计用于燃料电池车辆、PEM电解和其他基于燃料电池的应用。

今年2月,公司宣布将扩大在韩国的燃料电池催化剂生产能力,以支持现代汽车集团以及其他汽车客户的需求增长。

4、贵研铂业

贵研铂业是一家从事贵金属系列功能材料研究、开发和生产经营的企业。公司主营业务包括贵金属特种功能材料、贵金属高纯功能材料、贵金属信息功能材料及贵金属环境及催化功能材料四大产业领域。

近年来,公司将研究重心放在贵金属工业催化剂,成为国内燃料电池催化剂唯一上市标的公司。目前,公司与上海汽车集团在燃料电池催化剂领域合作研发出的铂基催化剂已交付于上汽集团。

5、武汉喜玛拉雅

武汉喜玛拉雅创立于武汉光谷。为打破国外的技术垄断和自主研发燃料电池核心技术,2015年,公司与清华大学签订技术成果转让合同并在湖北省咸宁市建立了清华喜玛拉雅氢燃料电池产业化基地。

2016年,公司完成催化剂、膜电极、双极板等关键材料的研发和工艺制备。2018年4月,其自主研发的燃料电池Pt/C催化剂量产技术取得突破,具备了大规模工业化生产条件,产能达到5kg/天规模。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,成本大幅降低至同类进口产品的一半。

据悉,目前公司在清华大学催化剂制备工艺技术支持下能日产200g的Pt/C燃料电池催化剂材料。

6、上海济平

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。据公司执行总裁邹裕民透露,济平催化剂技术是采用独特铂化学与前驱物处理技术、特殊碳粒处理法,让催化剂粒子附着、分散,同时研发了独特合成催化剂及热处理铂及铂合金技术,以达成最佳性能及耐久性。

公司第二代催化剂主要在研制三元铂合金催化剂。该产品的研发主要有两个方向:一是在保持性能基础上,降低铂的用量,主要策略是核壳结构合金,铂粒子只分布于表面,减少浪费;二是增进耐久性,主要策略是三原合金,加入抗腐蚀的贵金属。

2019年,上海济平计划催化剂量产1公斤/天,工厂一期产能规划根据市场需求可扩大为3-5公斤/天。10公斤内订单周内可实现产品交付。

7、擎动科技

苏州擎动动力科技有限公司(以下简称:擎动科技)自主研发催化剂,并将其批量应用于公司的核心产品膜电极上。擎动科技总经理朱威博士透露,公司铂碳催化剂的铂载量已处于领先水平,接下来公司要推出的是铂钴催化剂,这款催化剂工艺更加复杂,能够在性能提高的基础上,将铂载量减少一半。

8、东焱氢能源

南京东焱氢能源科技有限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。

公司的 DOIN系列催化剂是以碳黑为载体的Pt基燃料电池电催化剂,具有粒径小、粒径分布均匀、电化学活性面积(ECA)大等特点,主要用于氢燃料电池、直接甲醇燃料电池和电解水制氢。公司可根据客户的具体需求,定制特定Pt载量与特定电化学活性面积的燃料电池催化剂。

9、福达合金

福达合金的主营业务为电接触材料的研发、生产和销售,是我国电接触材料行业的领先企业。公司5月25日发布公告称,拟出资5000万人民币投资设立全资子公司福达氢能源材料有限公司(暂定名),开展氢能源材料的研发、生产和销售等业务。

全资子公司成立后,公司拟结合现有贵金属回收、贵金属精炼、冶金加工及粉体制备技术,将氢燃料电池用金属极板类产品及贵金属材料催化剂作为后续重点研发方向,积极探索利用现有生产线技术开发氢能源材料产品。

针对未来催化剂技术发展趋势,有业内人士判断:“为适应车用燃料电池需求,催化剂还需要不断提高耐久性,并降低铂载量。但降低铂载量,并不意味着催化剂一定会朝非铂方向发展。很多试验表明,非铂催化剂达不到车用燃料电池的性能及寿命要求。未来10年内,非铂催化剂都难以用到车用燃料电池上。”

“未来,随着铂载量的不断降低,一辆车中的铂载量仅有几克,还可以回收。”业内人士补充说道,目前国内氢燃料电池催化剂已取得一定研究成效,但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。 
 

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