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【原创】国产燃料电池催化剂“难产”背后
燃料电池| 催化剂 文章来源自:高工氢电网
2020-01-30 15:08:50 阅读:6556
摘要国产催化剂与进口催化剂技术差距到底在哪,为什么会形成这种差距?国产催化剂技术发展趋势及市场前景又如何?国产催化剂与进口催化剂技术差距到底在哪,为什么会形成这种差距?国产催化剂技术发展趋势及市场前景又如何?

催化剂作为燃料电池核心材料之一,其国产化进展备受行业人士关注。

据高工氢电调研了解,国内很多科研院所都开展了燃料电池催化剂相关研究,具备一定的研究基础。与产业发展结合来看,燃料电池催化剂实现量产问题也不大,企业拥有一定的设备投入资金和工艺优化能力就可以实现,但关键问题在于产线建成以后,生产出来的产品是否在各项性能指标方面满足真正的商业化需求。

燃料电池催化剂不同于一般的催化剂,对活性、稳定性、耐久性等各项性能指标要求很高,需要在不断使用过程中,经过不断测试、积累、完善,才能慢慢形成可以规模化生产的商用产品。而国内燃料电池尚处于起步阶段,为了避免风险,下游企业选用催化剂会优先选择经过实际验证的进口催化剂,当然也会去测试国产催化剂,但真正放心使用还需要一个过程。

整体来看,目前国内燃料电池催化剂要么仍然处于实验室研发阶段,要么企业能够建成产线,但还需要较大的运行成本及产出成本,才能真正实现严格意义上的良好运行。一些企业已经能够出产催化剂,可能通过测试用于推广,但真正能够被下游批量使用的还有待验证。

现阶段国内主要采用田中贵金属(TANAKA)、庄信万丰(Johnson Matthey)的催化剂,其中田中贵金属今年在国内市场增长很快,所占市场份额超过了庄信万丰(后文会详细分析两者市场策略及变化原因)。

业界关心的是,为什么国内燃料电池催化剂研究多、参与者也多,实际产业化进展却比较慢?国产催化剂与进口催化剂技术差距到底在哪,为什么会形成这种差距?国产催化剂技术发展趋势及市场前景又如何?

技术差距

众所周知,目前国内燃料电池的首要任务之一是提高功率密度。提高燃料电池的功率密度需要从提高性能与减小体积两方面着手。在性能方面,通过分析燃料电池极化曲线可知,通过降低活化极化、欧姆极化、传质极化等多方面入手提高燃料电池性能。提高燃料电池性能首先要降低活化极化,而活化极化主要与催化剂活性密切相关。

影响催化剂活性的因素有很多,如载体的性能(比表面积、孔结构、表面化学性质等)、催化剂中活性金属的含量和颗粒大小、活性金属在载体上的宏观和微观分布等。

国内外关于高活性、高稳定性催化剂的解决方案有很多,如何在降低铂使用量的基础上提高催化剂性能,非常有难度。目前国内企业研究以铂炭催化剂为主,同时储备铂钴催化剂(市场应用上则以铂炭催化剂居多,在外企的推动下,下游企业也开始应用铂钴催化剂)。

一名催化剂企业技术总监表示:“关于铂粒子的大小控制,国内外差距不大,但如何制备出比表面积高、导电性更好、稳定性更好的炭载体会存在差距。”

据了解,目前用于燃料电池催化剂的铂盐基本从国内购买,但碳粉完全依赖进口。碳粉价格便宜,长期进口不会存在什么问题。但从技术角度来看,国内科研机构对于碳材料的技术研究并不重视,基础非常薄弱,对于催化剂炭载体的研究制备会有影响。适用于燃料电池催化剂的碳粉,如同气体扩散层的碳纸及储氢瓶的碳纤维一样,是一个难以攻克的瓶颈问题。

此外,国内一位专注铂炭催化剂研究的教授告诉高工氢电,铂能否以纳米形式高度分散到炭载体上,国内差距也很明显。铂在炭载体上的高度分散是催化剂设计的一个很重要因素,可以提高铂的利用率、降低铂的用量,在催化剂设计时必须综合考虑炭载体的类型、疏水性、表面官能团等因素。在催化剂制备过程中,通常需要优化催化剂负载过程,对炭载体结构、表面性质进行处理,这些处理过程都会影响铂催化剂的分散性。

受限于多方面因素,目前国内铂炭催化剂活性与国际先进水平存在差距。为了达到商用要求,国内催化剂采用铂的含量普遍偏高。据了解,丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量为0.175g/kW,国内产品好的达0.3 g/kW,差的在0.4-0.5 g/kW(Pt含量指的是催化剂中阴阳两级的铂族金属总量)。美国DOE设定的2020年催化剂技术指标是铂族金属总量(两极总和)是0.125 g/kW,按照国内现有的技术水平,2020年难以达到。

值得注意的是,燃料电池在反应过程中,由于氧还原反应(ORR)的交换电流密度远低于氢氧化反应(HOR),一般极化损失主要来自于阴极侧(空气侧)。比较来看,阳极侧催化剂研发制备相对简单,铂用量已经降到比较低的程度,而阴极侧催化剂活性提高难度大,其铂用量通常比阳极侧催化剂每千瓦多出5-6倍。

所以,当前业界的研究重点是如何提高阴极侧催化剂的活性。

企业策略

从全球燃料电池催化剂市场来看,丰田燃料电池汽车用自己旗下公司的催化剂;现代燃料电池汽车用韩国公司的催化剂,该韩国公司已被优美科收购;本田燃料电池汽车用田中贵金属的催化剂;从中国市场来看,田中贵金属与庄信万丰在国内的市场拓展走在前列。这主要得益于两家公司在催化剂领域的长期积累与企业策略。

资料显示, 田中贵金属从1985年展开燃料电池催化剂研究,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。

2018年,田中贵金属投资约40亿日元扩大位于神奈川县的开发制造燃料电池用电极催化剂的FC催化剂开发中心。在毗邻田中贵金属工业湘南工厂内原有的FC催化剂开发中处,增设总建筑面积约3000平方米的制造出货大楼和存放仓库大楼,将生产能力提高约7倍。

一名知情人士表示:“田中很早开始研发燃料电池催化剂,与日本重视发展燃料电池有关。田中扩充产能意味着对未来市场的看好,目前中国客户占田中的业务份额比较大,也应该是其接下来比较看重的市场。田中的燃料电池催化剂产品系列非常多,还可以根据客户要求开发定制化产品,这是其他厂商难以比肩的。”

庄信万丰于1817年在伦敦设立,是一家全球性专用化学品公司,致力于发展催化剂、贵金属和专用化学品核心技术。早在上个世纪60年代美国航空上用的催化剂产品,就由庄信万丰提供,在燃料电池催化剂上的研究与生产也非常早。在中国市场,无论是企业还是科研机构购买庄信万丰催化剂产品的非常多。

值得一提的是,目前庄信万丰卖给中国市场的催化剂产品是经过市场验证的早期产品,生产基地在北美。由于燃料电池催化剂整体市场容量并不大,对于公司的利润贡献小,庄信万丰的业务重心更多放在膜电极上,其膜电极产品上的催化剂技术更为先进。前段时间亿华通发布的科创板招股说明书上显示,庄信万丰是公司供应商之一。

高工氢电了解到,庄信万丰早在2000年就在英国设立了膜电极工厂。多年以来,庄信万丰膜电极业务一直在持续开展,并未因市场波动而停滞,目前北美及欧洲多家量产燃料电池公司都是其客户。在国内,庄信万丰与巴拉德膜电极渐渐形成PK之势。

对比田中贵金属与庄信万丰,国内企业大多于近几年才开始展开燃料电池催化剂的研发,积累显然严重不足。而作为一款车用产品,必须符合车用标准,也必须在车上经过反复不断验证才算获得真正的认可,这一点是国产催化剂最缺乏的。

一名资深业内人士表示:“比较国内外企业,最大的不同在于,中国企业基本都围绕政策转,很少公司有自己的可持续发展的战略。国外公司涉足者没那么多,仅少数几家坚定看好未来发展前景,自负盈亏搞研发,即便在没有市场的情况下,也在持续地长期投入。也正是因为长期的坚持,才能在燃料电池风起时占据技术高地。”

业界都希望催化剂能够尽快批量国产化,不然对整个燃料电池行业发展都不利。只不过,在国内基础材料研发薄弱、政策导向强、企业商业化宣传浓厚的环境下,行业显得比较浮躁。

“国内催化剂不是做不起来,如果能脚踏实地做事情,同时企业人员、设备、资金投入能跟上,与终端应用紧密结合,相信能较快地做出性能指标还不错的产品。”上述资深业内人士说,当然由于当前整个燃料电池市场容量并不大,这其中存在很多的不确定性,很可能要等进口产品应用成熟稳定了,国产才慢慢进入。

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