燃料电池中的关键碳材料-2024-12-新能源.docxVIP

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燃料电池中的关键碳材料

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燃料电池中的关键碳材料

在我国明确提出“努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”应对气候变化新目标的大背景下，实现“双碳”目标已经成为了我国当前以及接下来较长一段时间里各个产业转型与发展的战略目标和方向，一场广泛而深刻的系统性变革正在全社会迅速展开。作为实现这一目标的重要抓手和路径，氢能和燃料电池发展正引发越来越广泛的关注和参与。

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燃料电池中的关键碳材料

氢燃料电池(以下简称“燃料电池”)是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。反应产物为水，不产生碳排放和其它污染排放。运输领域中，氢燃料电池汽车代替燃油车可以有效缓解降低碳排放目标的压力，同时续航里程长、快速加注、高功率密度、低温自启动等技术特点，使其在长程、重载、商用和严寒地区具有良好的应用场景，能有效弥补电动车的不足，共同推动我国交通电动化的进程。

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燃料电池电堆是燃料电池的核心，由多片单电池组成。

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单个燃料电池的组成，由中间到两侧分别为：

-质子交换膜(ProtonExchangeMembrane,PEM）

-催化剂层(CatalystLayer,CL)

-微孔层(MicroporousLayer,MPL）

-气体扩散层(GasDiffusionLayer,GDL）

-双极板(BipolarSeparator,BS）

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燃料电池汽车的核心部件，即燃料电池系统，它占成本最大的部分是燃料电池电堆，而在燃料电池电堆中成本最高的是催化剂、质子交换膜和双极板。在这些费用中，催化剂成本占整个电堆的50%左右，占整个系统成本的30%左右。燃料电池催化剂主要是稀有的贵金属铂催化剂。要解决这一行业的痛点(降低催化剂的成本)，通常是提高催化剂的活性从而减少用量，并延长催化剂的使用寿命。

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当燃料电池运行时，由于铂的聚集，催化剂的活性和稳定性会逐渐降低。通过调整铂基催化剂的组成、形貌和结构可改善催化剂活性，其中一种是在导电炭黑上负载催化剂，制备铂碳催化剂。常规的铂碳催化剂是将铂分散成约2nm左右的微粒，然后负载于炭黑表面形成均匀分布的单分散铂颗粒，形成较大的铂颗粒的外表面积，从而获得更高的催化活性。炭黑作为催化剂载体，要求其具有合适的比表面积、合适的孔径和孔分布、具有较高的导电性能、较好的化学和电化学稳定性，以及较高的纯度。炭黑载体对贵金属催化剂的粒径和分散状态有较大的影响，而催化剂颗粒大小和分散状态对催化剂活性和稳定性的改善起着关键作用。

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炭黑载体不仅具有单一惰性载体功能，而且通过促进氢离子传递，提高催化剂层的电子导电性，提高催化剂电化学面积和金属催化剂的纳米颗粒稳定性等方面影响整个燃料电池的性能。

炭黑载体的氧化会引起金属催化剂纳米颗粒的迁移和聚集，从而降低铂催化剂的电化学活性面积。

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一个常见的催化剂的失效模式是高电位下炭黑载体的腐蚀氧化导致的催化剂降活。炭黑载体的腐蚀与氧化，会导致金属催化剂纳米颗粒的迁移和聚集，降低铂催化剂的电化学活性面积（Electrochemical

ActiveSurfaceArea,ECSA）,从而导致催化剂活性降低、寿命终止。

因此，为催化剂选择合适的碳黑载体来获得更高的催化活性及稳定性，从而提高整个燃料电池的性能至关重要。

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VULCAN?XC72是一款经典的导电炭黑，已经在多种商用化燃料电

池催化剂上得到了应用和验证。

FCX?80和FCX?200两款产品具有低比表面积、高石墨化程度、高

耐腐蚀性能和良好的抗氧化性能，更适合于负极催化剂载体，能显著

提高催化剂使用寿命。

FCX?80在诸如燃料电池卡车、叉车等重载应用领域也可作为正极催

化剂载体。

FCX?400和FCX?800具有较高的比表面积，可以提高催化剂金属铂

的载量，提高催化剂的活性，适合于正极高铂载量催化剂