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氢燃料电池催化剂的技术路线、国内外厂商、发展方向等，重磅“干货”了解一下！
* 来源 :氢燃料电池论坛 * 作者 :fgwmyj * 发表时间 :2021-03-01 * 浏览 : 7822
作为燃料电池堆中的核心构成，催化剂成本占比高达36%。随着国内外氢燃料电池车飞速发展，深入了解氢燃料电池催化剂的技术路线、产业化情况等干货，对于行业人士来说至关重要。燃料电池君特编辑整理了有关氢燃料电池催化剂的分类、技术、企业等知识，并且欢迎大家在留言区留言讨论！
◆◆背景简介◆◆
 

国家近年来重点支持氢燃料电池汽车，推动产业化发展。氢能利用也将由最初的燃 料电池汽车逐渐向其他交通领域扩展，燃料电池船舶、燃料电池无人机也成为发展重点， 德国、美国、日本、韩国等国家均较为重视氢能在交通领域的产业化进程。

燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心，主要由双极板、催化剂、膜电极、质子交换膜等构成，其中催化剂和双极板的成本占比最高，分别约为 36%和 23%。通用汽车公司推出的新一代燃料电池汽车，每辆车用铂量在30克左右，燃料电池是铂金属催化剂重要的潜在消费市场。随着各国政府对氢燃料电池汽车产业的扶持及关键技术的突破，未来几年燃料电池汽车产业将迎来爆发式增长。

目前世界上有很多国家在质子交换膜燃料电池汽车方面开展了大量的研究和示范工作。表1展示了几个具有代表性的汽车公司研发的燃料电池汽车的功率、铂用量和耐久时长参数。从表中可以看出目前燃料电池铂用量最少的是丰田公司，约为0.17g/kW，但是此数值仍与美国能源部的目标值0.125g/kW有不小的距离。因此，研发低铂载量、高活性、高稳定性的燃料电池催化剂任务艰巨。

目前，我国燃料电池催化剂产品性能稳定性差，和国外比存在不小差距。此外我国燃料电池催化剂研究比较分散，大都集中在科研院所和高校，尚未实现可规模化生产、性能优异且稳定的产业化应用。

◆◆催化剂技术路线◆◆
 

 

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。但是，铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺，Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。

铂基催化剂材料在质子交换膜燃料电池的催化层中Pt载量一般为：阳极0.2mg/cm2、阴极0.4mg/cm2，每辆燃料电池乘用车需要Pt约50g，大巴需要约100g。其除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。

针对成本和耐久性问题，目前的技术研发路线集中在开发新型高稳定、高活性的低Pt用量催化剂体系，其方法一般采用高温形成铂合金的方法，以进一步提升铂原子的催化本征活性；以及将铂纳米催化剂形貌化，形成核壳类、八面体、一维纳米线结构的催化剂微结构，以最大化铂原子的利用率。而催化剂的终极研发目标将使完全不使用贵金属铂成为可能，即开发出非贵金属催化剂。在完成非贵金属催化剂的产品化后，氢燃料电池技术将真正成为世界能源储存与转化结构中最重要的环节之一。

                          氢燃料电池催化剂技术发展路线

 

 

◆◆产业化现状◆◆
 

 

国外铂基催化剂产业发展较成熟的有庄信万丰催化剂公司(Johnson Matthey Catalysts)、比利时优美科公司（Umicore）、日本Tanaka公司和日清坊株式会社等，我国目前以进口国外催化剂为主。目前铂载量最低的是日本的Tanaka，主要供应本田Clarity系列；日清坊株式会社主要供应巴拉德的燃料电池系统，其核心技术为铂合金化催化剂；Johnson Matthery的HiSPEC系列催化剂主要为铂及铂钌合金类，纯铂催化剂用于氢燃料电池，其3种型号的产品铂负载量为40%，57%和72%，合金类用于甲醇燃料电池，是目前全球最大和最专业的催化剂生产厂家，此外还有美国Gore和3M公司，但其业务重点在膜电极方向，催化剂业务比重较小。

目前，也有很多国内企业在迅速发展，如贵研铂业、喜马拉雅光电、擎动科技等，已初步形成打破国外垄断之势。

国内外燃料电池催化剂生产企业及技术特点

生产厂家

所处国家

产品种类

技术特点

Johnson Matthey

英国

Pt/C，PtRu/C等

碳载体复合各类贵金属

Umicore

比利时

Pt/C

碳载铂，高载量，高分散度

3M

美国

Pt/C，有序化铂催化剂

纳米形貌结构

Gore

美国

Pt/C

高分散度

日本Tanaka公司

日本

Pt/C，Pt3Co/C

合金化，单原子层

日清坊株式会社

日本

铂合金，非铂

合金化，碳基金属复合物替代铂

贵研铂业

中国

Pt/C

低原料成本

武汉喜马拉雅光电

中国

Pt/C

高活性

武汉理工新能源

中国

Pt/C

高分散度

上海济平

中国

Pt/C

颗粒均匀

中科科创

中国

Pt/C

颗粒均匀

 

 

全球知名催化剂研发团队（部分罗列）：

国外

  • JM

Johnson Matthey Catalysts（庄信万丰催化剂）作为全球最大的催化剂公司之一。JM推出的PEMFC催化剂类型众多，根据不同的铂含量，主要分3种产品，HisPEC 4000、9100和13100，含铂量 38～73.5 wt%，并且可以根据用户的需求定制含铂量更低的催化剂，该系列产品在世界范围内广泛销售。

 

  • Tanaka

日本的Tanaka推出的催化剂同比含铂量最少，可达到0.12g/kw。日本贵金属制造商TANAKA有限公司在神奈川县建立了新的燃料电池催化剂生产中心，开发和制造燃料电池用电极催化剂。TANAKA目前已拥有世界领先的燃料电池催化剂市场份额，随着该生产中心的扩张，燃料电池催化剂的产能将增加七倍。
 

  • BASF

 
巴斯夫股份公司（BASF SE），是一家德国的化工企业，也是世界最大的化工厂之一。巴斯夫催化剂业务部在全球环境技术和工艺催化剂业务方面有着丰富的经验，有精湛的专业知识，业内领先的研发平台以及对贵金属和基本金属的深厚了解。
 

国内

  • 贵研铂业

 
作为燃料电池催化剂唯一上市标的公司，在燃料电池催化剂方面的布局较早，与上海汽车集团合作已达5年，目前贵研铂业已经研发出铂基催化剂，交付于上汽集团，正等待反馈。资料显示，截至2020年11月，公司氢燃料电池铂极催化剂尚在实验室阶段，目前没有商品化产品。
 

  • 武汉喜玛拉雅光电

武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司2008年创立，2015年武汉喜玛拉雅光电与清华大学签订技术成果转让合同，并成立了清华喜玛拉雅氢燃料电池产业化基地。

清华大学氢燃料电池实验室与武汉喜玛拉雅光电科技公司的联合研发团队目前已攻克燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题。目前，该催化剂获得17项专利，产能达到每天1200克，且价格仅为进口产品一半。催化剂系列化产品已应用在中科院、高校和多家燃料电池公司的燃料电池电堆中。18年底，采用该催化剂生产的氢燃料电池可达1000台。

该公司量产Pt/C催化剂主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%几种规格。

  • 擎动科技

苏州擎动动力科技有限公司是姑苏创新创业、阳澄湖科技人才项目，其科研产品专注于氢燃料电池核心组件膜电极等高科技产品。该公司研发的高科技产品燃料电池催化剂——铂合金产品成功量产，该产品是国内首个量产的燃料电池用铂合金产品，使用该产品可使燃料电池中贵金属铂的用量降低75%，在燃料汽车普及的进程中迈出了十分关键的一步。
苏州擎动科技的高性能铂合金催化剂具有以下三个优势：高催化活性，质量比活性可达传统Pt/C的4倍以上；优异的耐久性能，20000个循环后活性仅下降40%；可批量化生产。

 

  • 南京东焱

南京东焱氢能源科技有限公司是依托于南京市麒麟科技创新园，由南京大学、南京森焱投资管理有限公司以及江苏启迪科技园发展有限公司共同创办的高新技术企业。公司主要从事氢燃料电池和工业催化材料的研发、生产与销售，在纳米催化剂、纳米电极和氢能发电系统等方面具有核心专利技术。

  • 中科科创

宁波中科科创新能源科技有限公司成立于2015年08月，致力于纳米贵金属及其合金催化剂和燃料电池膜电极的研发、规模生产与推广应用。

该公司拥有多项核心技术，包括贵金属基催化剂规模化制备技术、合金催化剂规模化制备技术和膜电极规模化制备技术等。

中科科创新能源推出的高金属载量催化剂适用于氢-氧（空）质子交换膜燃料电池、直接醇类燃料电池、金属-空气电池和传感器等。

  • 俊吉科技

绍兴俊吉能源科技有限公司创建于2012年，是一家专业从事氢燃料电池核心材料、电堆系统以及相关配套设备的研发、生产、销售和服务于一体的国家高新技术企业。

目前，该公司已与上海交通大学燃料电池研究所、昆山南京大学创新研究院、河森电气、昆山桑莱特等建立了良好合作关系。

该公司的主要产品是膜电极、催化剂、空冷型燃料电池电堆。其中，膜电极和催化剂是核心产品。膜电极产品包括车载膜电极、CCM膜电极、传感器专用膜电极、电解水制氢膜电极。 

公司负责人接受采访称，目前膜电极已小批量给泓林新能源供货。催化剂有铂碳催化剂、铱黑催化剂、铂黑催化剂等。

  • 济平新能源

上海济平新能源科技有限公司成立于2018年8月，公司主要研发生产燃料电池催化剂和气体扩散层。该公司打造燃料电池关键材料的国产化量产，济平催化剂产品主要可分为铂与铂合金，2019年计划量产1公斤/天，长期目标3-5公斤/天。

济平气体扩散层团队拥有多年丰富的配方及材料学知识及经验，使浆液稳定且流动性质适于涂抹于多孔碳载体上，计划量产100平方米/天，长期目标200-300平方米/天。

另外，济平新能源与同济大学已共建燃料电池联合实验室，并于2019年初被上海市嘉定区政府列为重点产业项目。

  • 北京大学

2018年6月，北京大学工学院郭少军团队开发了一种新型哑铃状的PtFe-Fe2C纳米粒子。该催化剂在酸性介质中的氧还原的比活性和质量活性分别达到了353mA/cm2和1.50A/mg，比商业铂碳催化剂分别高出11.8倍和7.1倍，且具有极为优异的电化学稳定性，经历5000个循环，催化剂的活性几乎没有衰减。

 

 

◆◆国内最新进展◆◆
 

 

  • 济平新能源：年产量2吨催化剂项目

2020年7月，上海济平新能源科技有限公司和广东省佛山市南海区人民政府针对燃料电池催化剂全自动化产线项目正式签约。据悉，目前济平新能源已经在广东省设立全资子公司“广东济平新能源科技有限公司”，该项目选址于佛山市南海区丹灶镇，厂房面积约3500平方米，主要生产燃料电池催化剂，项目投产后预计年产量2吨催化剂，可配套2万台套电堆，项目达产后预计年产值6亿元。目前济平自主研发并量产的催化剂有三款铂碳催化剂，一款铂合金催化剂。

  • 西安凯立：科创板上市获通过

2020年11月，西安凯立新材料股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市申请获通过。资料显示，西安凯立主要从事贵金属催化剂的研发与生产、催化应用技术的研究开发、废旧贵金属催化剂的回收及再加工等业务。

 

报告期（2017年1月1日至2020年6月30日）内，公司在氢燃料电池催化剂制备技术方面取得重大突破，性能已获得市场认可。

在研项目中，公司提到：质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂的研究。研究阶段与进展：单批次百克级制备技术研究阶段。拟达到的目标：研发出单批次公斤级制备技术，催化初始活性和耐久性均达到国际先进水平。 

该项目将独自完成。该项目通过研究高稳定载体和特殊形貌催化剂的制备技术来提高催化剂电化学性能和耐久性，降低铂含量；通过生产工艺的革新，大幅提高产品的稳定性和生产效率。力争实现铂载量降低 30%以上、耐久性提高 30%、批次稳定性>99.5%的目标，早日商品化应用。

 

◆◆未来展望◆◆
 

 

  • 铂基催化剂展望

铂基催化剂具有高电催化活性、高稳定性、相对较高性价比，燃料电池应用高活性、低铂催化剂是目前催化剂的研究方向。尤其特定形貌（核壳为主）的铂合金催化剂性能表现十分优秀，但铂合金催化剂目前基本处于实验室开发阶段，其缺点为制备工艺复杂、结构和性能一致性差、制备成本高，使得其在量化生产时商业化应用受到了制约，因此在高活性低铂催化剂的制备工艺优化方面的研究势在必行。
 

  • 非铂基催化剂展望

质子交换膜燃料电池催化剂研究的最终目的是完全消除铂等贵金属，但非铂基催化剂的电流密度、酸性溶液中ORR催化活性和稳定性等与商业Pt/C催化剂相比还有较大差距。非铂基催化剂是未来质子交换膜燃料电池催化剂的研究方向，具有极大的开发潜力，但对其催化性能提升的研究方面仍然任重而道远。
 
 

本文参考资料：

1. 西安凯立新材料股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书（上会稿）

2. 氢能人（微信号：xingzhe1514），“国内外燃料电池催化剂市场现状梳理”

3. 中钢南京研究院（微信号：sinosteelnamri），“南京研究院氢能与燃料电池研发揭秘 —先进氢燃料电池催化剂材料技术”，作者：南京研究院燃料电池先进材料实验室 邓翔 博士

4. 势银能链（微信号：energylink），“观察：作为燃料电池核心材料的催化剂，国内有何布局？”

 

5. 唐柳，于力娜，张克金，朱雅男，朱云，杨帅，《汽车文摘》，一汽解放汽车有限公司商用车开发院，“质子交换膜燃料电池催化剂研究进展“

 

  • Tanaka

日本的Tanaka推出的催化剂同比含铂量最少，可达到0.12g/kw。日本贵金属制造商TANAKA有限公司在神奈川县建立了新的燃料电池催化剂生产中心，开发和制造燃料电池用电极催化剂。TANAKA目前已拥有世界领先的燃料电池催化剂市场份额，随着该生产中心的扩张，燃料电池催化剂的产能将增加七倍。
 

  • BASF

 
巴斯夫股份公司（BASF SE），是一家德国的化工企业，也是世界最大的化工厂之一。巴斯夫催化剂业务部在全球环境技术和工艺催化剂业务方面有着丰富的经验，有精湛的专业知识，业内领先的研发平台以及对贵金属和基本金属的深厚了解。
 

国内

  • 贵研铂业

 
作为燃料电池催化剂唯一上市标的公司，在燃料电池催化剂方面的布局较早，与上海汽车集团合作已达5年，目前贵研铂业已经研发出铂基催化剂，交付于上汽集团，正等待反馈。资料显示，截至2020年11月，公司氢燃料电池铂极催化剂尚在实验室阶段，目前没有商品化产品。
 

  • 武汉喜玛拉雅光电

武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司2008年创立，2015年武汉喜玛拉雅光电与清华大学签订技术成果转让合同，并成立了清华喜玛拉雅氢燃料电池产业化基地。

清华大学氢燃料电池实验室与武汉喜玛拉雅光电科技公司的联合研发团队目前已攻克燃料电池关键材料催化剂产业化生产难题。目前，该催化剂获得17项专利，产能达到每天1200克，且价格仅为进口产品一半。催化剂系列化产品已应用在中科院、高校和多家燃料电池公司的燃料电池电堆中。18年底，采用该催化剂生产的氢燃料电池可达1000台。

该公司量产Pt/C催化剂主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%几种规格。

  • 擎动科技

苏州擎动动力科技有限公司是姑苏创新创业、阳澄湖科技人才项目，其科研产品专注于氢燃料电池核心组件膜电极等高科技产品。该公司研发的高科技产品燃料电池催化剂——铂合金产品成功量产，该产品是国内首个量产的燃料电池用铂合金产品，使用该产品可使燃料电池中贵金属铂的用量降低75%，在燃料汽车普及的进程中迈出了十分关键的一步。
苏州擎动科技的高性能铂合金催化剂具有以下三个优势：高催化活性，质量比活性可达传统Pt/C的4倍以上；优异的耐久性能，20000个循环后活性仅下降40%；可批量化生产。

 

  • 南京东焱

南京东焱氢能源科技有限公司是依托于南京市麒麟科技创新园，由南京大学、南京森焱投资管理有限公司以及江苏启迪科技园发展有限公司共同创办的高新技术企业。公司主要从事氢燃料电池和工业催化材料的研发、生产与销售，在纳米催化剂、纳米电极和氢能发电系统等方面具有核心专利技术。