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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(huì)”線上演講環(huán)節(jié)中，來(lái)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(lái)《批量化生產(chǎn)催化劑的性能提升策略》報(bào)告演講。
本次報(bào)告重點(diǎn)講解了國(guó)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)保科技股份公司介紹四個(gè)部分。
在過(guò)去的一個(gè)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(lái)看，氫能的利用是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)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(chǔ)備、運(yùn)輸和利用，這其中燃料電池技術(shù)是實(shí)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(guó)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(diǎn)任務(wù)之一。
燃料電池本身是一個(gè)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(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展最大瓶頸之一。
目前國(guó)內(nèi)燃料電池所使用的催化劑大部分是進(jìn)口產(chǎn)品，這個(gè)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(guó)產(chǎn)燃料電池發(fā)展“卡脖子”的一個(gè)難點(diǎn)。
同時(shí)也說(shuō)明這個(gè)市場(chǎng)潛力是巨大的，相信在國(guó)家政策強(qiáng)力推動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程還是會(huì)不斷提速，周衛(wèi)江先生表示希望盡快扭轉(zhuǎn)這一局面。
國(guó)產(chǎn)電催化劑的現(xiàn)狀方面，周衛(wèi)江先生認(rèn)為在2025年前后，甚至更遠(yuǎn)一點(diǎn)，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(wú)法實(shí)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(jià)的材料，其成本占比可能會(huì)增加，需要提前做好準(zhǔn)備。
目前國(guó)內(nèi)鉑基電催化劑的市場(chǎng)仍然被國(guó)外產(chǎn)品把持，例如J.M、TKK、Umicore，但國(guó)產(chǎn)催化劑也在迎頭趕上，國(guó)家政策支持優(yōu)先采用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。
國(guó)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(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)品耐久性方面還需要繼續(xù)強(qiáng)化。
關(guān)于催化劑性能方面，本次周衛(wèi)江先生重點(diǎn)講述催化劑性能耐久性問(wèn)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(gè)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(guò)程中會(huì)發(fā)生燒結(jié)、聚集、遷移、脫落、溶解等各種問(wèn)題。另外燃料電池在使用時(shí)，環(huán)境或燃料電池內(nèi)部會(huì)有一些雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致鉑活性位中毒。
而碳載體的電化學(xué)腐蝕會(huì)導(dǎo)致鉑基金屬粒子的流失、催化層減薄（接觸內(nèi)阻增加），同時(shí)催化層親水性也會(huì)很強(qiáng)，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(huì)導(dǎo)致燃料電池膜電極及催化劑的嚴(yán)重?fù)p失甚至完全失敗。
當(dāng)電催化劑批量化生產(chǎn)時(shí)，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(shí)候不可避免會(huì)遇到放大效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品均一性、一致性不容易實(shí)現(xiàn)。
周衛(wèi)江先生表示，環(huán)保問(wèn)題需要大家認(rèn)真考慮，由于燃料電池是實(shí)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(guò)程必須是一個(gè)“綠色”的過(guò)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(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，符合發(fā)展氫能、燃料電池的初衷。
對(duì)于電催化劑耐久性提升的策略和方法，周衛(wèi)江先生認(rèn)為國(guó)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(guó)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(qiáng)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(qiáng)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(jí)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)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(guò)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(duì)提升其耐久性效果更為直接明顯。
被稱為“國(guó)內(nèi)燃料電池電催化劑第一股”的中自環(huán)保科技股份有限公司成立于2005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(dòng)機(jī)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(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)。
中自環(huán)?？萍脊煞萦邢薰驹?018年成立了氫能研發(fā)中心，去年參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)專項(xiàng)”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(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)和中國(guó)稀土科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
