攻关氢燃料电池核心材料
石科院、催化剂公司长岭分公司Pt/C电催化剂
实现氢燃料电池核心材料自主化
近日，《中国石化报》第3版以“创新转化”为关键词，回顾盘点中国石化2021年度科技工作的重点、亮点，重点介绍包括石科院、催化剂公司长岭分公司氢燃料电池Pt/C电催化剂在内的4项特色成果研发应用情况。目前该催化剂已首次成功应用于国内某新能源公司，标志着中国石化在新能源材料领域迈出了坚实一步。 ↑《中国石化报》报道 / / “ 锚定氢燃料电池关键核心技术 电催化剂是驱动氢燃料电池电化学反应的核心材料，但我国氢燃料电池电催化剂的对外依存度高，研发具有自主知识产权的电催化剂对攻克氢燃料电池关键核心技术、推动我国氢能产业发展具有重要意义。 氢燃料电池结构示意图 “十三五”期间，中国石化敏锐抢抓氢能大发展的历史机遇，由科技部牵头，超前布局石科院等科研单位成立研发团队，针对氢燃料电池核心材料开展科技攻关。 / / “ 科技攻关彰显创新力量 石科院项目团队经过前期调研抽丝剥茧，发现阴极电催化剂是制约氢燃料电池性能的短板。他们还发现，以纳米级别的铂颗粒（Pt）和炭黑（C）为原材料制备的Pt/C阴极电催化剂可以弥补阴极电催化剂短板，且催化剂中铂含量越高，其性能就越好。但当电催化剂中铂的质量分数超过20%后，铂颗粒在制备过程中就非常容易聚集，“抱团”的铂无法在炭黑上均匀分散，严重影响电催化剂性能。 石科院燃料电池和储氢团队 如何在提高催化剂中铂含量的同时保证铂颗粒的均匀分散？石科院研发团队从催化原理入手，筛选十余种前驱体、载体，反复尝试30余种催化剂制备方法，不断优化各种还原工艺条件，创新性形成耦合-还原工艺，即通过调配制备过程中反应体系的极性并辅以合适的络合剂，使得铂颗粒的还原和负载过程可以同步进行，使铂颗粒由原先的“天女散花”转变为“定向播种”，极大提升了铂颗粒的分散均匀程度和与炭黑结合的紧密程度，解决了高铂含量电催化剂中金属分散均匀性的“卡脖子”难题。 经过反复技术攻关，研发团队成功制备出铂的质量分数最高达70%的Pt/C电催化剂，使催化剂的稳定性和活性都有了质的飞跃。测试结果表明，采用石科院“耦合-还原”工艺生产的中国石化Pt/C电催化剂SKY-001性能优于同类型催化剂，达到国际先进水平，具备了产业化应用的能力。 石科院自主研发的Pt/C电催化剂 / / “ 产业应用取得突破 2021年4月，石科院“氢燃料电池高效Pt基电催化剂研发”项目通过科技部组织的技术评议。评议专家一致认为，中国石化Pt/C电催化剂SKY-001活性与稳定性表现均优于同类商业催化剂，且生产流程简洁，易于工业化生产，实现了氢燃料电池核心材料的自主化，有望解我国燃料电池关键材料对外依存度高的燃眉之急。 项目评议现场 在从实验室到工厂的放大生产过程中，由于生产规模的扩大，物料的流动、传热、传质等物理过程都会发生变化，很容易导致大规模生产夭折。在科技部的支持下，石科院及催化剂公司长岭分公司联手攻关，解决铂颗粒聚集、杂质离子脱除、生产质量不稳定等多个难题，成功实现Pt/C电催化剂百克级工程放大制备。 中国石化Pt/C电催化剂生产厂房 测试结果表明，Pt/C电催化剂达到国际先进水平，成功实现国外同类产品的国产化替代。同时石科院积极探索商业化应用路径，利用自主研发的Pt/C电催化剂装配出1千瓦、2千瓦等系列功率的氢燃料电池电堆，并在无人机上成功实现应用，完成多次试飞，试验证明其发电效率可达60%。 催化剂装配的2 kW氢燃料电池电堆 / / “ 大规模应用前景光明 目前，中国石化Pt/C电催化剂SKY-001的产品性能已得到3家第三方检测机构验证，申请国内专利25件，技术自主可控。国内已有多家电堆装配等氢能领域企业表达了明确合作意向。下一步石科院将和长岭分公司共同推进Pt/C电催化剂的公斤级生产，在2022年6月前实现催化剂的商业化应用，预计可应用于氢能交通、分布式发电及绿氢炼化等多个领域，持续为我国氢能产业发展注入石化力量。 Pt/C电催化剂在无人机上成功实现应用
