氢能源行业专题研究：氢催化剂，触媒而起

质子交换膜燃料电池与质子交换膜电解槽中发生的反应为互逆反应，两 者结构相似，均由膜电极（质子交换膜、催化剂、气体扩散层）和双极 板构成。电化学反应发生在离聚物、扩散层和催化剂组成的三相交界处， 该反应可看作气体吸附或解离的过程，催化材料吸附自由能不应过大 （或过小），否则会导致氢气和氧气解离困难（或吸附困难），理想的催 化材料位于“火山曲线”最大值附近。

质子交换膜燃料电池中，负极发生 HOR 反应 H2→2e-+2H（两电子转移， + 快速动力学过程），正极发生 ORR 反应 O2+4e-+4H+→2H2O（四电子转 移，缓慢动力学过程）。根据“火山曲线”图，Pt 催化剂具有最适宜的吸 附自由能，此时化学反应速率最大；由于正极 ORR 反应速率比负极 HOR 反应低 6 个数量级，因此总反应的反应速率取决于正极，正极催化剂用 量约是负极的 8 倍。

质子交换膜电解槽中，阴极发生 HER 反应 2H++2e-→H2（两电子转移， 快速动力学过程），阳极发生 OER 反应 2H2O→4H++O2+4e-（四电子转 移，缓慢动力学过程）。与燃料电池催化剂类似，“火山曲线”峰值附近 的材料具有最佳催化活性。对于阴极 HER 反应，选用 Pt 作为催化剂； 对于阳极 OER 反应，IrO2 和 RuO2 都具有优异催化活性，但 RuO2 在酸性环境中容易被氧化溶解失活，稳定性较差，故选取 IrO2 作为催化剂。

1.1. 燃料电池催化剂：浆料配比和提纯工艺决定催化剂性能

目前常用的燃料电池催化剂是 Pt/C催化剂、铂合金催化剂。两种催化剂 均采用贵金属铂作为基材，同时采用碳载体来提高贵金属的比表面积， 提高反应活性。

Pt/C催化剂和铂合金催化剂的制备原理相似，其核心均在于前驱体溶液 中浆料的配比、催化剂产品的洗涤干燥。前者是从Pt前驱体溶液与载体 前驱体溶液出发，通过化学处理得到 Pt/C 催化剂；后者将含 Pt 前驱体 溶液与金属 M（外加的非 Pt 金属元素）前驱体溶液混合，通过还原、离 心干燥等处理得到将金属 M 与 Pt 复合。

除 Pt/C催化剂和铂合金催化剂外，非贵金属和非金属催化剂是未来重 要发展方向。非贵金属催化剂中，M-N-C 化合物具有可观的催化活性、 成本低、寿命长、抗甲醇且环保，被认为是最具潜力的催化剂之一；非 金属催化剂指各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷 掺杂等。由于催化活性和稳定性与 Pt 基催化剂仍存在较大差距，上述催 化剂仍处于实验室阶段，尚未实现产业化。

1.2. 电解槽催化剂：阳极用 Ir催化剂，阴极用 Pt 催化剂

电解槽阳极常用 IrO2 催化剂，阴极使用 Pt 基催化剂。对于 IrO2催化剂， 其制备工艺是将含 Ir 与聚合物的混合溶液均匀涂覆在导电基底上，通过 煅烧、等离子处理氧化含铱混合物、除去聚合物，即可制得 IrO2 催化剂； Pt 基催化剂的制备原理与燃料电池催化剂一致。

现有商业析氢催化剂 Pt 载量为 0.4~0.6 mg/cm2，将 Pt 与过渡金属复合 （如 Pt/Pd、Pt/N 等）可降低贵金属用量，并提高催化性能。析氧催化剂 IrO2 的贵金属载量约为 1~2 mg/cm2，复合氧化物、合金类和载体支撑型 催化剂，以及使用过渡金属氧化物作为载体（如 TiO2、Ta2O5、Nb 掺杂 的 TiO2、Sb 掺杂的 SnO2 等）也成为析氧催化剂的研究重点。

到 2030 年，氢催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为 294 亿元、438 亿元、586 亿元；对贵金属 Pt 的累计需求量为 18 吨/26 吨/36 吨（铂年产 量 180 吨），对贵金属 Ir 的累计需求量为 13 吨/19 吨/25 吨（铱年产量 7- 8 吨）。

2.1. 燃料电池催化剂：保守/中性/乐观预期下，市场空间分别 为 60 亿元/84 亿元/120 亿元

到 2030年，燃料电池催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为60亿 元、84 亿元、120 亿元。预计到 2030 年，燃料电池系统成本将降至 700 元/kw（100kw 系统成本为 7 万元），与柴油机 5 万元（潍柴柴油机售价 5.13 万元）、动力电池 7.8 万元（宁德时代动力电池售价 784 元/kW）具 备一定抗衡性。参考新能源汽车降本速度和渗透率，在保守/中性/乐观情 形下，燃料电池汽车保有量将达到 50 万辆/70 万辆/100 万辆。

2.2. 电解槽催化剂：保守/中性/乐观预期下，市场空间分别为 234 亿元/354 亿元/466 亿元

到 2030年，电解槽催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为234亿元、 354 亿元、466 亿元。考虑工业及燃料电池汽车用氢需求，到 2030 年下 游用氢需求预计将达 4790 万吨，工业副产氢供氢 984 万吨，其余用氢由 灰氢（煤制氢、天然气制氢）及电解水制氢提供；假设在保守中性/ /乐观预期下，绿氢对灰氢（煤制氢、天然气制氢）的替代率分别达到 10%/15%/20%，绿氢需求量的 30%由 PEM 电解水制氢满足（PEM 电解 槽每年工作 2500h），对应 PEM 电解槽出货量为 25GW/38GW/50GW。 在保守/中性/乐观情形下，PEM 电解槽中的铂催化剂市场空间为 13 亿元 /19 亿元/25 亿元，铱催化剂市场空间为 221 亿元/335 亿元/441 亿元。

在国内燃料电池和电解槽催化剂市场，以庄信万丰、田中贵金属、优美 科等为代表的外企厂商市占率超过 90%。从发展历程及业务构成看，其 主营业务均以贵金属为主，衍生发展出催化剂（包括汽车尾气催化剂、 氢催化剂）、贵金属提炼回收、工业气体合成等需涉足贵金属应用的业务 领域，氢催化剂业务在公司的整体营业收入的占比极小。 国内企业中，贵研铂业、中自科技在业务构成上与外企厂商具备一定相 似性，前者主营贵金属业务，后者主营汽车尾气催化剂，目前均已布局 切入氢催化剂领域。另外，还包括一系列主营业务即为氢催化剂的国内 厂商，如济平新能源、中科科创、氢电中科。

3.1. 庄信万丰：以铂族贵金属为主线，重点发展清洁空气、催 化剂技术、氢技术三项业务

庄信万丰（Johnson Matthey）成立于 1817 年，总部位于英国伦敦。公司 最初从事贵金属的纯度测试业务，从一家小型试金公司逐渐发展成为全 球最大的铂系金属提纯及分销商，是致力于发展催化剂、贵金属、活性 药物成分等核心技术产品的专用化学品公司。

2022 年 5 月，公司对业务架构进行精简调整。精简前，公司包括空气净 化（Clean Air）、高效资源（Efficient Natural Resources）、健康（Health） 和新市场（New Markets）四大业务板块，其中燃料电池位于新市场业务 下；由于电池材料（Battery Materials）和健康业务（Health）投入成本高、 回报低，公司退出了上述两项业务。精简后，公司以铂族金属（PGM Services）为主线，重点发展三项业务：清洁空气（Clean Air）、催化剂 （Catalyst Technologies）、氢技术(Hydrogen Technologies)。

2021 年，公司营业收入合计 39.40 亿英镑（约合 318.95 亿元人民币）， 其中，清洁空气业务为 24.57 亿英镑、高效自然资源业务为 10.41 亿英 镑、其他业务为 4.42 亿英镑；营业利润合计 5.56 亿英镑（约合 45.01 亿 元人民币），其中，清洁空气业务为 3.02 亿英镑，高效自然资源业务营 业利润为 3.58 亿英镑，其他业务营业利润为-1.04 亿英镑。

公司主要聚焦燃料电池催化剂，包括 Pt/C催化剂和铂合金催化剂产品。 以 HiSPEC9100 型号为例，其呈黑色粉末状，铂含量为 55.5-58.5%，最 小金属表面积 85 m2 /g；同时，庄信万丰还提供不同解决方案的膜电极产 品，包括完全单元化的 MEA（附有 GDL 的 7 层）、5 层 MEA（不附有 GDL 的密封 MEA），和 3 层催化剂涂层膜（CCM）；2017-2022 年，公司 燃料电池业务（催化剂+膜电极）收入分别为 1900 万英镑、2700 万英镑、 3300 万英镑、4100 万英镑、2500 万英镑。此外，公司电解槽催化剂正实 现快速商业化，2022 年 4 月产生了首笔收入。

3.2. 优美科：以贵金属为中心，形成催化剂、能源与表面技术、 回收三大业务板块

优美科（Umicore）成立于 1805 年，总部位于比利时，专注于材料技术 和金属回收。公司以贵金属为中心，形成了 Catalysis（催化剂）、Energy & Surface Technologies（能源与表面技术）、Recycling（回收）三大业务 板块；燃料电池催化剂业务归属于催化剂板块。

公司自 1990年起致力于开发用于 PEM燃料电池和 PEM电解槽的催化 剂。2009 年，公司与韩国现代汽车签订联合开发合同，为其提供PEM 燃料电池催化剂，到 2021 年超过 1 万辆现代燃料电池汽车使用优美科的 催化剂；截至 2021 年，公司在燃料电池汽车催化剂市场份额达 40%； 2020 年，公司成立燃料电池和固定催化剂业务部门，负责燃料电池催化 剂业务。2021 年燃料电池催化剂的 EBITDA占比＜5%，预计 2030 年将 实现贡献＜30%。

目前，优美科共提供 7 种型号的氢催化剂产品，包括 5 种 Pt 催化剂、2 种 Ir 催化剂，适用于燃料电池和电解槽催化剂。2022 年 7 月，优美科宣 布在中国常熟投资建设大型燃料电池催化剂工厂，预计 2024 年底投产， 巩固现有市场地位，并作为公司在德国和韩国开创性生产与研发设施的 补充。

3.3. 田中贵金属：构建形成产业用、资产用和宝石用贵金属循 环型业务

田中贵金属集团成立于 1885 年，由田中控股株式会社（纯粹控股公司）、 田中贵金属工业株式会社、日本电镀工程株式会社、田中电子工业株式 会社、田中贵金属珠宝株式会社 5 家主要子公司组成。公司致力于产业 用（半导体、电子零部件、医疗等）贵金属制品的制造和销售，以及提 供作为宝石饰品及资产的贵金属商品。2020 年，公司营业收入合计 14256 亿日元（约 698.54 亿元人民币）；净利润合计 395 亿日元（约19.36 亿元人民币）。

公司从 1985年开始燃料电池催化剂研究，1992年开发质子交换膜燃料电池用催化剂； 2013 年，田中成立 FC 催化剂开发中心，并于 2018 年 增设 FC 催化剂开发中心提高产能。目前，公司提供燃料电池用催化剂 包括铂碳催化剂、铂钌合金催化剂；在燃料电池催化剂市场，田中贵金 属占比超过 80%。

3.4. 中自科技：从汽车尾气催化剂出发，拓展氢燃料电池电催 化剂量产落地

中自环保科技成立于 2005 年，是专注于环保催化剂的高新技术企业， 2021 年在科创板上市。公司目前的主要产品是应用于各类天然气车、柴 油车、汽油车和摩托车尾气处理的催化剂，并积极拓展氢燃料电池催化 剂和固态氧化物燃料电池。

2021年，公司营业收入合计 9.62亿元，其中柴油车和天然气车尾气催化 剂占比最高，分别为 4.15 亿元、2.19 亿元。天然气车业务营业收入同比 下降较多，主要系天然气价格大幅上涨，下游天然气销量大幅下滑；同 时，柴油车国五产品冲量抢装所致。

自 2020 年起，中自科技基于对贵金属催化材料的技术积累，进军氢燃料 电池领域。公司主要布局氢燃料电池电催化剂、膜电极以及固态氧化物 燃料电池（SOFC/SOEC）电堆技术三方面业务，开发出 SEC 系列催化 剂，包括第一代 SEC100 铂炭催化剂和第二代 SEC200 具有核壳结构的 低铂催化剂，同时开发了 SME 系列膜电极产品。目前，公司铂碳催化剂 产品相关的批量化生产设备已经全部进场，即将完成调试，待调试完成 后将形成公斤级批量生产能力；合金催化剂中试设备的设计产能预计将 达到≥200g/批次、≥50kg/年。

3.5. 贵研铂业：立足贵金属产业方向，形成贵金属新材料制造、 贵金属资源循环利用和贵金属供给服务三大板块

贵研铂业成立于 2000 年，由昆明贵金属研究所发起设立，2003 年登陆 上交所主板。公司立足贵金属产业方向，已建立形成贵金属新材料制造、 贵金属资源循环利用和贵金属供给服务三大核心业务板块。

2021 年，公司营业收入合计 363.51亿元，归母净利润合计 3.87亿元。 从营业收入占比看，贵金属新材料制作和贵金属供给服务分别达到45%、 41%；从毛利率看，2021 年公司主营业务毛利率仅为 3%，主要系公司所 处的贵金属行业和主要收取加工费的经营模式所决定；各业务收入中， 贵金属价值占比较高，导致计算得到的毛利率水平较低。

在燃料电池催化剂方面，公司 2014 年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的研发工作；2022 年 6 月，全资子 公司贵研新材料与亿华通签订战略合作协议，在燃料电池催化剂产品研 究开发及铂资源回收等领域积极寻求合作机会。目前，公司燃料电池催 化剂相关产品仍处于实验室阶段。

从制备流程来看，膜电极仅比催化剂多了一道涂覆工艺。膜电极组件是 燃料电池的核心部件，主要由质子交换膜、催化剂、边框和气体扩散层 组成，制备原理是将催化剂浆料担载到质子交换膜表面，通过热压或粘 结等方式将各部件复合，常用的制备方法有转印法、电喷雾法、电沉积 法和超声喷涂法。

膜电极厂商庄信万丰主要利用的是转印法，其工作原理是将催化剂浆料 涂覆到转印基质上，烘干排出溶剂，热压将催化层转移到质子交换膜， 最后将转印基质移除完成膜电极的制备。