氢燃料动力电池催化材料的挑战与机遇

氢燃料动力电池在汽车领域具有综合能效高、环境友好、高可靠、启动迅速等特性，也因此氢燃料动力电池在汽车领域应用最为普遍。氢燃料动力电池的催化材料是氢燃料动力电池结构中的核心材料部件，是电池正常、高效的运行保障。随着当前环境污染压力的不断上升，社会对大规模使用清洁新能源的需求更加迫切，也因此对氢燃料动力电池催化材料的成本、催化活性、催化稳定性提出了更加严格的要求。

1.氢燃料动力电池行业发展分析

燃料动力电池的种类相当多，目前市场上重要有碱性燃料动力电池(AFC)、质子交换膜燃料动力电池(PEMFC)、甲醇燃料动力电池(DMFC)、磷酸燃料动力电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料动力电池(MCFC)、固态氧化物燃料动力电池(SOFC)。这些不同种类的燃料动力电池输出功率范围、发电效率、优缺点、应用领域都不尽相同。目前主流用于汽车的燃料动力电池是氢燃料动力电池，氢燃料动力电池是一种能够将储存在燃料（氢气）和氧化剂（空气中的氧气）中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，其基本工作原理就是电解水的逆过程，而目前在氢燃料动力电池中以质子交换膜燃料动力电池居多，这重要是因为其在电动汽车、固定发电站领域具有广阔的大规模应用的前景。

图1为目前市场常见电池近十年的出货量，从图中我们可以看到整体燃料动力电池出货量从2009-2013年大幅上升，2013年以后整体出货量的趋势稳重有升。另外，可以看到氢燃料动力电池PEMC从2014-2018年整体趋势略有降低，但目前占有率仍然很高（高于50%）。值得注意的是SOFC电池的出货量这几年新增也较为明显，这重要是由于SOFC在亚太地区尤其是在日本小型高效率发电系统ENE-FARM的家用燃料动力电池正在快速普及和发展。

数据来源：Fuel Cell Today和E4tech (2018年为1-十月数据)

图1 全球燃料动力电池2009-2018年出货量

数据来源：Fuel Cell Today和E4tech (2018年为1-十月数据)

图2 全球燃料动力电池2009-2018年出货量以瓦数计(MW)

图2为全球燃料动力电池2009-2018年出货量，以瓦数计(MW)。从图中可以看到发电容量急剧上升，仅2018年全球燃料动力电池出货量已经约为800MW，而PEMFC电池的发电量达到589.1MW，明显占据主导地位，占比达到73.35%。由此可见，质子交换膜型氢燃料动力电池无论是电池数量还是发电容量上看都是主流的燃料动力电池技术，2015年以来PEMFC出货量（以瓦数计）的暴增一方面得益于丰田（功率114kw）和现代（功率110kw）等燃料动力电池车的产量上升；另一方面是因为日本和欧洲等地的小型热电联产项目持续新增，在这方面，日本和加拿大的公司占据重要市场。此外，我国最近几年也大力支持PEMFC电动汽车的发展。

2015年，国务院印发《我国制造2025》，提出了燃料动力电池汽车的战略目标及研究方向。目标到2020年，我国逐步实现关键材料和零部件国产化、燃料动力电池堆和整车性能提升、燃料动力电池汽车运行规模扩大。通过对关键材料、电池堆系统及通用化技术等重点领域的研究，到2020年实现关键技术攻关，2025年完成商业化产品全产业链的建设，并实现区域小规模运行。梳理过往政策则不难发现，政府关于燃料动力电池的政策倾斜正在加大。尤其是2018年的补贴政策，进一步提升了电动汽车锂离子电池能量密度的补贴门槛要求，而对燃料动力电池车的补贴力度则保持不变。另外，2016年十月，《我国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》，2020年，加氢站100座，燃料动力电池汽车10000辆；2030年加氢站1000座，燃料动力电池车辆200万辆；2050年加氢站网络构建完成，燃料动力电池车辆1000万辆，可见目前国家政策也是极力推进氢燃料动力电池的商业化和大规模使用。2019年三月二十六日四部委公布《有关进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，其中提到地方应“支持充电(加氢)基础设施‘短板’建设”。今年的《政府工作报告》也提及稳定汽车消费，推动充电、加氢等设施建设。可见，发展氢能源汽车已经得到我国政府相当程度的重视。

氢燃料动力电池上游包含电池组件和氢能两大类，氢能产业链有三大环节，每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点，目前上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料动力电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好；电池组件包括燃料动力电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等。产业链中游是燃料动力电池系统的组装部分。产业下游应用重要有固定发电、交通运输、便携式电子以及包含特种、航天在内的特殊领域。

2.氢燃料动力电池关键材料—催化剂

燃料动力电池核心系统是电堆，其成本占整个燃料系统的60%。假如说电堆是燃料动力电池产业链的决定因素，那么催化剂和质子交换膜就是整个氢燃料动力电池行业的命脉。2017年，我国一共生产了1272辆燃料动力电池商用车，催化剂和质子交换膜基本全部依托进口。因而，催化剂和质子交换膜的国产化是氢燃料动力电池发展的亟需解决的核心材料问题。氢燃料动力电池电堆系统重要由催化剂、气体扩散层、质子交换膜等组成。图3是氢燃料动力电池电堆成本构成，其中催化剂所占电堆成本比例最高，这重要是当前商业化催化剂的种类限制所致。催化剂是质子交换膜燃料动力电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。由于PEMFC工作温度不足100oC，对催化剂活性要求很高，而铂(Pt)催化剂具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺。

数据来源：日本NEDO

图3 氢燃料动力电池电堆成本构成

Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（重要体现在稳定性上）。通过燃料动力电池衰减机制分析可知，燃料动力电池在车辆运行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位用途下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失等。这些问题都是制约燃料动力电池发展的关键因素，针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点问题之一。目前，已经研发出的催化剂的种类重要有铂基催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。