中国燃料电池催化剂行业报告

2023年中国燃料电池催化剂行业词条报告 作者：李卿云 行业：头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务/能源设备与服务港股分类法/能源关键词:氢能源、燃料电池、催化剂 摘要：在氢燃料电池电堆的“心脏”膜电极中，催化剂起到促进氢气和氧气分解进行电化学反应产生电流的作用，其催化效率将直接决定燃料电池的发电效率及性能。催化剂的选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题，目前质子交换膜燃料电池主要采用贵金属铂作为催化剂。由于产品性能要求严格，原材料价格高昂，工艺流程复杂，燃料电池催化剂的行业技术壁垒与制造成本较高，产业化过程漫长，减少铂在催化剂生产中的单位用量、开发新的非铂催化剂或通过回收手段降低铂的采购成本是未来催化剂发展的主要方向。中国燃料电池催化剂技术起步较晚，与国际水平差距较大，且原材料严重依赖进口，当前催化剂国产化程度不足25%。催化剂市场规模的扩张主要受益于燃料电池汽车的商业化推广与高功率化发展，预计2026年市场规模有望达25亿元，2027年有望突破40亿元,2022-2027年市场规模年均复合增长率为37.1%。 燃料电池催化剂行业定义 1. 在氢燃料电池电堆的“心脏”膜电极中，催化剂起到促进氢气和氧气分解进行电化学反应产生电流的作用，其催化效率将直接决定燃料电池的发电效率及性能。催化剂的选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题，目前质子交换膜燃料电池主要采用贵金属铂作为催化剂。在燃料电池的工作条件下，阳极氢气氧化反应动力学较快，阴极即使在铂基催化剂表面，氧还原反应的动力学依然较为缓慢。因此，燃料电池性能的提升主要受限于阴极侧的氧还原反应。为提高燃料电池性能，需要增加阴极一侧贵金属催化剂的用量，这是目前燃料电池成本高昂的主要原因之一。减少铂在催化剂生产中的单位用量、开发新的非铂催化剂或通过回收手段降低铂的采购成本是未来催化剂发展的主要方向。 燃料电池催化剂行业分类 2. 根据催化剂中的铂含量，燃料电池催化剂可主要分为铂基催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂三类。 类型名称 类型说明 铂基催化剂 铂基催化剂是率先实现商业应用的主流车用燃料电池电催化剂，将活性组分铂负载于多孔碳载体上而制成。优点在于催化活性高，缺陷在于贵金属用量大，成本高昂，且碳载体易被腐蚀。 低铂催化剂 低铂催化剂通过在制备过程中加入钴、镍、铬等过渡金属降低原材料成本，并以纳米粒子结构、核-壳结构有效改善催化剂中铂原子的分布，提升铂原子利用率，但目前的低铂催化剂由于原料成本与制备成本高昂，且生产流程复杂，大多难以适应规模化生产需求。 非铂催化剂 非铂催化剂包括钯基或钉基催化剂、非贵金属氧化物、硫属化合物、氮氧化物、氮掺杂碳材料、金属-氮-碳（Ｍ-Ｎ-Ｃ）催化剂以及非金属催化剂，其中Ｍ-Ｎ-Ｃ表现最优。Ｍ-Ｎ-Ｃ在现阶段实验室研究中催化活性较好，但稳定性较差。金属钯与铂具备类似的物理化学性质，且钯储量相对丰富，是替代铂的理想材料。然而常规钯纳米颗粒催化剂的氧还原反应催化活性比相应的铂催化剂低至少83.33%，暂且无法达到商业使用要求。 燃料电池催化剂行业特征 3. 燃料电池催化剂对产品性能要求严格，原材料价格高昂，工艺流程复杂，因此行业技术壁垒与制造成本较高，产业化过程漫长。中国燃料电池催化剂技术起步较晚，与国际水平差距较大，且原材料严重依赖进口，催化剂国产化程度不足25%。随着燃料电池催化剂企业与科研院校技术合作的加深，中国燃料电池催化剂行业已实现多项技术突破，国产化水平有望进一步提升。 技术壁垒高 燃料电池催化剂对产品性能要求严格，制备流程复杂，生产技术壁垒较高。 燃料电池催化剂对催化材料的活性、导电率、稳定性、抗中毒性、耐腐蚀性等各项性能要求较高，制备方法根据催化剂种类的不同，包括溶剂热法、电化学沉积法、原子层沉积法、物理溅射沉积法等等，工艺操作复杂，还需应用过程中的不断测试、纠错、改进、完善，才能跨越实用门槛，获得市场认可，最终实现规模化生产。 制造成本高 燃料电池催化剂由于原材料价格高昂，工艺流程复杂，制造成本较高。 燃料电池催化剂成本约占电堆生产成本的35%，其主要原材料为贵金属铂，地壳含量极低，全球存量稀少，进口价格持续上涨。催化剂加工中需通过一系列化学反应精确调控合金成分及合金纳米颗粒的尺寸、形貌，流程复杂，要求严苛。减少铂在催化剂生产中的单位用量、开发新的非铂催化剂或通过回收手段降低铂的采购成本是未来催化剂发展的主要方向。 国产化程度低 中国燃料电池系统催化剂技术起步较晚，与国际水平差距较大，国产化水平不足25%。 中国氢燃料电池催化剂市场主要为国外企业主导，约占75%-82%的市场份额。且催化剂主要原材料铂族金属98.7%的矿产资源集中于南非、俄罗斯、加拿大和美国，严重依赖进口。目前中国催化剂技术已实现多项突破，国产化水平有望进一步提高。武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司2015年与清华大学签订技术成果转让合同，在催化剂方向进行校企深度合作，是中国主流的铂催化剂供应商之一。 4.燃料电池催化剂发展历程 中国燃料电池催化剂行业迄今经历三个阶段：在2001-2016年的萌芽期，中国燃料电池汽车经历约15年的技术积累，逐步进入商业应用推广阶段，为燃料电池催化剂提供广阔的下游市场。在2017-2019年的启动期，政府鼓励外商投资低铂催化剂，并将“低成本燃料电池催化剂”列入材料领域科技创新专项规划，降低催化剂成本成为燃料电池产业化攻坚的重要方向，这一阶段国产燃料电池催化剂企业产能取得重大突破，降低催化剂进口依赖程度。在2020年至今的高速发展期，政策加码为燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用提供奖励，国产燃料电池催化剂企业加快生产线建设布局，实现国产催化剂出口海外市场。 开始时间：2001结束时间：2016阶段：萌芽期 行业动态：2001年中国“电动汽车”重大科技专项开始启动，确立了以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为“三纵”和电池、电机、电控为“三横”的“三纵三 横”研发布局，燃料电池汽车技术作为“三纵”之一得到重点研发部署，并在“十一五”“十二五”“十三五”期间持续进行科技攻关，对燃料电池汽车用电堆、双极板、炭纸、催化剂、膜电极、空气压缩机、储氢瓶等关键技术均进行了研发部署。2014年，贵研铂业与上汽集团签署燃料电池催化剂合作协议，共同推进燃料电池催化剂研发工作。2015年，喜玛拉雅光电与清华大学签订技术成果转让合同，并成立清华喜玛拉雅氢燃料电池产业化基地，推动燃料电池催化剂商业化进程。2016年，“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目正式启动，在北京、上海、郑州、佛山、盐城等城市开展燃料电池汽车百辆级商业化示范运行活动。 行业影响/ 阶段特征：中国燃料电池汽车应用以依托重大活动开展短期示范运行为主，经历约15年的技术积累，通过国家项目引导、校企联合开发、重大活动试运营，企业完成燃料电池汽车技术探索和优化，达到量产、投放市场的标准，行业逐步进入商业应用推广阶段，为燃料电池催化剂提供广阔的下游市场。 开始时间：2017结束时间：2019阶段：启动期 行业动态：2017年，“低成本燃料电池催化剂”被纳入《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，同年，《外商投资产业指导目录（2017年修订）》也将“燃料电池低铂催化剂、复合膜、膜电极、增湿器控制阀、空压机、氢气循环泵、70MPa氢瓶”等新能源汽车关键零部件制造列入鼓励外商投资产业目录，引进外资与先进技术推动燃料电池催化剂向低贵金属含量方向发展。2018年，喜玛拉雅光电燃料电池铂碳催化剂量产技术取得重大突破，产能达到1200g/天规模，可满足40台36kW燃料电池电堆使用，并具备大规模工业化生产条件，降低燃料电池催化剂进口依赖程度。 行业影响/ 阶段特征：政策鼓励外商投资燃料电池催化剂行业，引进先进技术，降低催化剂成本成为材料领域科技创新的重要方向。国产燃料电池催化剂企业产能取得重大突破，降低催化剂进口依赖程度。 开始时间：2020阶段：高速发展期 行业动态：2020年，《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励。2021年， 《燃料电池汽车示范城市群考核评价规则》将催化剂列入燃料电池系统八大关键核心技术，并作为示范城市群考核评价指标。在政策加速驱动下，国产燃料电池催化剂企业加快生产线建设布局，与客户展开公斤级订单合作。2021年12月，济平新能源与加拿大BallardPowerSystems签署战略合作框架，实现国产催化剂的出口。 行业影响/ 阶段特征：政策加码为燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用提供补贴奖励，国产燃料电池催化剂企业加快生产线建设布局，促进产能提升，实现国产催化剂出口海外市场。 燃料电池催化剂产业链分析 5. 燃料电池催化剂的产业链上游为贵金属催化材料与催化剂载体，催化剂使用的贵金属催化材料属于铂族金属，催化剂载体大多为石墨烯、碳纳米管等昂贵碳材料。铂族金属供应集中度高，头部矿产商具有高度行业话语权，价格容易受矿产商减停产影响。中国是铂族金属需求的重要市场，采购量超过全球铂族金属总需求的30%，并存在一定的预备性囤积，以应对未来氢能经济的发展需要。石墨烯、碳纳米管等碳材料产业近年来发展迅速，市场潜力巨大。产业链中游为燃料电池催化剂，由于原料价格高昂，工艺流程复杂，催化剂成本约占燃料电池电堆生产成本的35%，目前铂基催化剂是商业应用的主流，而减少贵金属铂在催化剂生产中的单位用量、开发新的非铂催化剂或通过回收手段降低铂的采购成本是未来催化剂发展的主要方向。产业链下游为燃料电池系统，目前尚处于商业化初期，企业融资以早期轮次为主，行业技术壁垒较高且增长空间巨大，在资本市场受关注度高。 上游环节 上游分析 上游参与方 贵金属催化材料 燃料电池催化剂使用的贵金属催化材料属于铂族金属，包括钌（Ru）、铑（Rh）、钯 英美资源贸易（中国）有限公司、诺里尔 （Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）。从供需关系看，2021年全球铂金和铑金的矿 斯克镍业贸易（上海）有限公司、Sibanye 产供应增加四分之一，钯金出货量增加10%，从废旧汽车尾气催化剂中回收的铂族金属 GoldLimited、ImpalaPlatinumHoldings 增加8%。除了少数对价格高度敏感的工业应用外，全球工业领域对铂族金属的需求相对 Ltd、金川集团股份有限公司、万宝矿产有 强劲，工业和汽车的总铂金需求共计164.8吨，同比增长约17%。然而由于中国铂金首 限公司、紫金矿业集团股份有限公司、白 饰行业的持续疲软，以及全球铂金投资产品购买量的急剧下降，铂金的总需求有所下 银有色集团股份有限公司 滑，供应的增加和需求的减弱促使铂族金属价格下降。值得关注的是，2021年中国铱和钌的进口量高于JohnsonMatthey的需求预测，可能存在一些投机性采购，以应对未来氢能经济发展中对关键材料需求日益增长的情况。从市场分布看，自20世纪90年代开始，中国逐步成为铂族金属需求的重要市场。2020年和2021年，中国铂族金属采购量已经超过全球铂族金属总需求的30%。中国铂族金属需求的快速增长最初是由首饰需求带动的，随着中国汽车销量的快速增长和排放法规的加严，汽车行业成为中国铂族金属需求的主要支撑。2021年，中国工业铂族金属的采购量达到69.6吨，占全球工业铂族金属总需求的38%。与此同时，铂族金属98.7%的矿产资源集中于南非、俄罗斯、加拿大和美国，中国工业铂族金属将相当依赖进口资源。从产业结构看，铂族金属供应集中度高，头部矿产商具有高度行业话语权，首饰及工业产品制造商和投资者在内的终端用户数量众多，则处于金字塔底部。产业分布属于典型的供应端“寡头垄断”市场结构，容易因上游矿产商减停产而对价格造成扭曲。 催化剂载体 燃料电池催化剂使用的催化剂载体大多为石墨烯、碳纳米管等昂贵碳材料。从产业规模 贝特瑞新材料集团股份有限公司、方大炭 看，《中国制造2025》确