質子交換膜燃料電池催化劑發展現狀及工業化前景

2020-11-24 騰訊網

隨著質子交換膜燃料電池應用進入眾多領域，如備用電源、可攜式電源、叉車、燃料電池汽車的公交車和乘用車等。質子交換膜燃料電池的大規模商業化對催化劑成本、活性和耐久性提出了更高的要求。美國能源部(DOE)曾指出，催化劑在電堆總成本中的佔比會從系統年產量1000套/年下21%提高至50萬套/年的45%。因此開發低成本催化劑勢在必行！

目前，質子交換膜燃料電池陰陽極皆需要鉑族貴金屬來催化氧化還原反應(陽極氫氧化反應，陰極氧還原反應)。其中陰極側應用最多。正在應用和開發的催化劑主要有Pt/C、Pt合金、核-殼、形貌控制晶體、納米框架、非貴金屬等催化劑。這些催化劑到底能不能走向最後的產業化，面臨的挑戰又有哪些，該何設計催化劑和催化層呢？

雖然未來質子交換膜燃料電池的重點應用場景是乘用車車，但中長期內，可攜式電源、備用電源、叉車和公交車等將佔據PEMFC較大市場份額。僅從車用角度看，非貴金屬催化劑可能因不符合性能、耐久性、穩定性和功率密度要求，被認為距離商用化應用最遠。但非貴金屬催化劑已接近可攜式電源應用要求。下面就分別討論下每個催化劑的開發及應用現狀！

目錄

當前催化劑的研究現狀

一、Pt/C催化劑

在過去的十年，商用質子交換膜燃料電池產品嚴重依賴Pt/C催化劑。由於製備過程簡單，製作成本較低，所以商業應用最多。但進一步提高此催化劑的性能和耐用性幾乎空間很小。除非調控金屬與載體的相互作用，但長期來看，此催化劑不太可能滿足日後的要求。

二、Pt合金催化劑

Pt合金催化劑，因其高質量活性，在工業水平上正成為新的基準催化劑。豐田汽車公司在2014年底發布的第一代Mirai中使用了PtCo合金，突顯了Pt合金催化劑的技術成熟性。其它Pt合金包含如PtCo、PtNi、PtFe、PtCr、PtV、PtTi、PtW、PtAl和PtAg等，在過去的幾十年中，對碳載體二元合金或三元合金進行了大量開發工作，這些材料表現出的質量活性是傳統Pt/C催化劑的2-3倍。

為提高穩定性和耐久性，還需進一步對Pt合金催化劑進行預浸工作以去除基底金屬(沉積在碳表面或與Pt合金化較差的金屬)。此外，對Pt合金進行酸浸(從富Co/Ni合金開始)或熱處理這樣的後處理工作可以形成富Pt層，從而提高了穩定性和活性。這些方法在膜電極和電堆級別測試報告中已顯示成功有效提高了合金催化劑的耐久性，與Pt/C催化劑耐久性相似或更高。

三、核-殼催化劑

近年來，在極具前景的核-殼氧還原催化劑上已取得了重大進展。從理論上講，這種獨特的設計和概念可以實現儘可能高的Pt利用率，因此從成本角度來看非也常有吸引力(只要可以開發出更便宜的內核金屬)。這類催化劑的最大潛在優勢是：Pt納米顆粒的高分散性帶來的高電化學活性表面積，這種優勢明顯超出了其成本優勢，這對於實現陰極上鉑族金屬催化劑擔載量

四、形貌控制晶體催化劑

五、納米框架催化劑

六、非貴金屬催化劑

鉑族金屬催化劑挑戰

1、衡量最新狀態

2、電化學活性面積

3、量產化

非貴金屬催化劑挑戰

1、車用長期挑戰(性能、耐久性和穩定性)

2、可攜式電源/備用電源用長期挑戰(穩定性)

3、催化層設計策略

未來展望

通用汽車已經指出，美國能源部2020年車用質子交換膜燃料電池鉑族金屬催化劑的目標擔載量0.125 mg/cm2相當於約11g 鉑族金屬/汽車。需要注意，鉑族金屬/汽車的計算高度依賴於電堆功率、效率點、操作條件、允許衰減速率等。但似乎很明顯，要想實現汽車應用中鉑族金屬含量的降低，就需要催化劑表現出≥0.44 A/mg 鉑族金屬質量活性。（未完。。。）

（參考燃料電池乾貨）

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