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氫燃料動力電池催化材料的挑戰與機遇

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月04日  

氫燃料動力電池在汽車領域具有綜合能效高、環境友好、高可靠、啟動迅速等特性,也因此氫燃料動力電池在汽車領域應用最為普遍。氫燃料動力電池的催化材料是氫燃料動力電池結構中的核心材料部件,是電池正常、高效的運行保障。隨著當前環境污染壓力的不斷上升,社會對大規模使用清潔新能源的需求更加迫切,也因此對氫燃料動力電池催化材料的成本、催化活性、催化穩定性提出了更加嚴格的要求。


1.氫燃料動力電池行業發展分析


燃料動力電池的種類相當多,目前市場上重要有堿性燃料動力電池(AFC)、質子交換膜燃料動力電池(PEMFC)、甲醇燃料動力電池(DMFC)、磷酸燃料動力電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)、固態氧化物燃料動力電池(SOFC)。這些不同種類的燃料動力電池輸出功率范圍、發電效率、優缺點、應用領域都不盡相同。目前主流用于汽車的燃料動力電池是氫燃料動力電池,氫燃料動力電池是一種能夠將儲存在燃料(氫氣)和氧化劑(空氣中的氧氣)中的化學能直接轉換為電能的能量轉換裝置,其基本工作原理就是電解水的逆過程,而目前在氫燃料動力電池中以質子交換膜燃料動力電池居多,這重要是因為其在電動汽車、固定發電站領域具有廣闊的大規模應用的前景。


圖1為目前市場常見電池近十年的出貨量,從圖中我們可以看到整體燃料動力電池出貨量從2009-2013年大幅上升,2013年以后整體出貨量的趨勢穩重有升。另外,可以看到氫燃料動力電池PEMC從2014-2018年整體趨勢略有降低,但目前占有率仍然很高(高于50%)。值得注意的是SOFC電池的出貨量這幾年新增也較為明顯,這重要是由于SOFC在亞太地區尤其是在日本小型高效率發電系統ENE-FARM的家用燃料動力電池正在快速普及和發展。


數據來源:Fuel Cell Today和E4tech (2018年為1-十月數據)


圖1 全球燃料動力電池2009-2018年出貨量


數據來源:Fuel Cell Today和E4tech (2018年為1-十月數據)


圖2 全球燃料動力電池2009-2018年出貨量以瓦數計(MW)


圖2為全球燃料動力電池2009-2018年出貨量,以瓦數計(MW)。從圖中可以看到發電容量急劇上升,僅2018年全球燃料動力電池出貨量已經約為800MW,而PEMFC電池的發電量達到589.1MW,明顯占據主導地位,占比達到73.35%。由此可見,質子交換膜型氫燃料動力電池無論是電池數量還是發電容量上看都是主流的燃料動力電池技術,2015年以來PEMFC出貨量(以瓦數計)的暴增一方面得益于豐田(功率114kw)和現代(功率110kw)等燃料動力電池車的產量上升;另一方面是因為日本和歐洲等地的小型熱電聯產項目持續新增,在這方面,日本和加拿大的公司占據重要市場。此外,我國最近幾年也大力支持PEMFC電動汽車的發展。


2015年,國務院印發《我國制造2025》,提出了燃料動力電池汽車的戰略目標及研究方向。目標到2020年,我國逐步實現關鍵材料和零部件國產化、燃料動力電池堆和整車性能提升、燃料動力電池汽車運行規模擴大。通過對關鍵材料、電池堆系統及通用化技術等重點領域的研究,到2020年實現關鍵技術攻關,2025年完成商業化產品全產業鏈的建設,并實現區域小規模運行。梳理過往政策則不難發現,政府關于燃料動力電池的政策傾斜正在加大。尤其是2018年的補貼政策,進一步提升了電動汽車鋰離子電池能量密度的補貼門檻要求,而對燃料動力電池車的補貼力度則保持不變。另外,2016年十月,《我國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》,2020年,加氫站100座,燃料動力電池汽車10000輛;2030年加氫站1000座,燃料動力電池車輛200萬輛;2050年加氫站網絡構建完成,燃料動力電池車輛1000萬輛,可見目前國家政策也是極力推進氫燃料動力電池的商業化和大規模使用。2019年三月二十六日四部委公布《有關進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》,其中提到地方應“支持充電(加氫)基礎設施‘短板’建設”。今年的《政府工作報告》也提及穩定汽車消費,推動充電、加氫等設施建設。可見,發展氫能源汽車已經得到我國政府相當程度的重視。


氫燃料動力電池上游包含電池組件和氫能兩大類,氫能產業鏈有三大環節,每個環節都有很高的技術壁壘和技術難點,目前上游的電解水制氫技術、中游的化學儲氫技術和下游的燃料動力電池在車輛和分布式發電中的應用被廣泛看好;電池組件包括燃料動力電池電堆、空壓機、水泵、氫泵、儲氫器、加濕器等。產業鏈中游是燃料動力電池系統的組裝部分。產業下游應用重要有固定發電、交通運輸、便攜式電子以及包含特種、航天在內的特殊領域。


2.氫燃料動力電池關鍵材料—催化劑


燃料動力電池核心系統是電堆,其成本占整個燃料系統的60%。假如說電堆是燃料動力電池產業鏈的決定因素,那么催化劑和質子交換膜就是整個氫燃料動力電池行業的命脈。2017年,我國一共生產了1272輛燃料動力電池商用車,催化劑和質子交換膜基本全部依托進口。因而,催化劑和質子交換膜的國產化是氫燃料動力電池發展的亟需解決的核心材料問題。氫燃料動力電池電堆系統重要由催化劑、氣體擴散層、質子交換膜等組成。圖3是氫燃料動力電池電堆成本構成,其中催化劑所占電堆成本比例最高,這重要是當前商業化催化劑的種類限制所致。催化劑是質子交換膜燃料動力電池膜電極(MEA)的關鍵材料之一,決定了電池的放電性能和壽命。由于PEMFC工作溫度不足100oC,對催化劑活性要求很高,而鉑(Pt)催化劑具有良好的分子吸附、離解特性,因此鉑催化劑成為最理想、也是當前唯一商業化的催化劑材料。鉑金屬價格昂貴,我國的儲存量也非常短缺。


數據來源:日本NEDO


圖3 氫燃料動力電池電堆成本構成


Pt催化劑除了受成本與資源制約外,也存在耐久性問題(重要體現在穩定性上)。通過燃料動力電池衰減機制分析可知,燃料動力電池在車輛運行工況下,催化劑會發生衰減,如在動電位用途下會發生Pt納米顆粒的團聚、遷移、流失等。這些問題都是制約燃料動力電池發展的關鍵因素,針對這些成本和耐久性問題,研究新型高穩定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點問題之一。目前,已經研發出的催化劑的種類重要有鉑基催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑。

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