深度|跳動的動力：作為燃料電池心臟的鉑
來源：原創(chuàng) 2023-05-26
作為燃料電池的催化劑，貴金屬鉑的作用一直無法被替代。
去年11月以來，國際黃金價格一路狂飆，并于今年5月初創(chuàng)出兩年半新高，價格一度沖上2085.4美元/盎司。隨著黃金價格的攀升，鉑金的價格也穩(wěn)中有升。作為燃料電池的重要催化劑，價格高企的鉑金將如何影響氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？
作為氫燃料電池的核心部位，電堆催化劑的作用是促進氧化劑和氫氣的反應，使電子離開氫原子，將氣體轉(zhuǎn)化為電能，從而提供燃料電池的核心能量。
目前尚未有其他材料可用于替代鉑催化劑。由于鉑屬于貴金屬材料，價格昂貴，因此，雖然有不少學者試圖通過鉑基合金甚至是非鉑基催化劑的方式來降低催化劑中的鉑含量，以降低燃料電池成本，但目前均處于研發(fā)階段，距離實際落地還有很長的一段路要走。鉑是當前唯一具備規(guī)模化生產(chǎn)能力的 PEMFC 催化劑材料。
上海交通大學機械與動力工程學院燃料電池研究所所長、致遠學院常務副院長章俊良表示，燃料電池目前最大的一個問題是它的成本過高，對于整個電堆來說，催化劑加膜電極占到成本的70%以上，這是目前成本難以下降的最大原因。
氫燃料電池成本結(jié)構(gòu)中，占比最高的電堆占其系統(tǒng)成本的65%；而催化劑占電堆成本的約36%，主要是因為鉑金屬作為催化劑，其產(chǎn)量低、需求大、成本高昂。
當前全球現(xiàn)有燃料電池鉑用量大約在0.3-0.5g/KW左右，海外部分第一梯隊車企的氫燃料電池汽車鉑用量可降至0.17g/kW左右（對應約20g/輛），但單車用量仍明顯高于傳統(tǒng)燃油車（汽油車約4g/輛，柴油車約5-10g/輛）。鉑資源的匱乏和高成本制約了燃料電池大規(guī)模商業(yè)化，超低鉑、無鉑催化劑是未來研發(fā)方向。
稀有金屬鉑
鉑是地殼中最稀少的元素之一 。世界上鉑資源最豐富的國家是南非，其次是俄羅斯、加拿大和美國。我國鉑產(chǎn)地主要在云南，但我國礦山鉑產(chǎn)量較低。2016-2018年我國礦山鉑年產(chǎn)量預計在3t左右。根據(jù)中國礦產(chǎn)資源報告( 2007-2018)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2008 -2012年，雖然我國鉑族金屬查明資源儲量逐年增長，由2008年的324.1 t增長至2017年的365.3 t。 但是我國鉑產(chǎn)量仍然是處于一個較低的生產(chǎn)水平，若想滿足日常生產(chǎn)，還是需要依靠海外進口。
根據(jù)官方資料顯示，2018年全球鉑需求量最大的國家為中國，而中國、歐盟、日本、美國都是鉑金屬凈進口大國。2014-2018年，全球鉑金屬需求基本穩(wěn)定，約為250 t左右。據(jù)《我國鉑族金屬產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及戰(zhàn)略儲備研究》一文介紹，2020 年中國鉑族金屬中鉑對外依存度高達90%，鈀和銠也分別達到了70%和80%。
公開資料顯示，全球鉑金儲量為1.4萬噸，應用于珠寶、汽車、投資、工業(yè)等領(lǐng)域。鉑是我國亟需且緊缺的礦種之一，除機動車催化劑用途外，貴金屬催化劑作為優(yōu)化化學反應速度的新材料亦廣泛應用于石油、礦產(chǎn)、化學、醫(yī)藥、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域；如化工領(lǐng)域中85%以上的化學反應需要依靠催化劑進行，在煉油及石化領(lǐng)域中貴金屬催化劑亦因其催化活性及選擇性而成為必不可少的生產(chǎn)要素。美國、歐盟、澳大利亞等發(fā)達國家都將其作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)。2018年以來，日本、韓國、歐盟、美國和我國大力發(fā)展氫能源汽車產(chǎn)業(yè)，氫能源汽車燃料電池對鉑的需求量將不斷增大，開展對全球及中國鉑金屬資源現(xiàn)狀的總結(jié)與需求趨勢的研究，對我國新形勢下礦產(chǎn)資源安全有著重要意義。
據(jù)中信證券研究部氫能組預測，2030年全球綠氫需求或達 6120萬噸，對應電解槽需求量 841.5GW，屆時將會隨之產(chǎn)生20噸鉑族金屬需求；而隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全球燃料電池車滲透率不斷提高，預計2025/2030/2050 年全球燃料電動車有望帶來 1.60/3.97/25.56 噸鉑金需求。國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，未來氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展廣闊，如此看來，鉑族金屬遠期需求空間將持續(xù)上漲。
根據(jù)莊信萬豐（Johnson Matthey）的測算，早期每輛氫燃料電池汽車的鉑含量為30-80克，鉑消耗量為傳統(tǒng)柴油車的3-8倍；近年來，隨著技術(shù)進步，單車鉑含量有所下降，目前海外最新的研究能夠?qū)K用量降至0.06g/kW（約7.06g/輛），國內(nèi)技術(shù)水平則為0.3g/kW，而豐田等第一梯隊車企的商業(yè)化車型用量大約為0.17g/kW（約20g/輛）。雖然用量極少，但這種貴金屬在氫燃料電池系統(tǒng)中的表現(xiàn)確實著實是眼下效率最高，暫時是不可替代的。
因為相關(guān)技術(shù)的壁壘頗高，催化劑作為上游擁有較大的話語權(quán)，進一步推升了下游成本，限制了我國氫能源燃料電池的發(fā)展。我國需要自主研發(fā)的氫燃料電池相關(guān)的催化劑專利，才能從源頭上解決氫能源的第一道關(guān)。
目前氫燃料電池的催化劑主要分為三個大類：鉑(Pt)催化劑，低鉑催化劑和非鉑催化劑。其中低鉑催化劑分為核殼類催化劑與納米結(jié)構(gòu)催化劑，非鉑催化劑分為鈀基催化劑、非貴金屬催化劑與非金屬催化劑。鉑碳催化劑是將鉑負載到活性炭上的一種載體催化劑，主要用于燃料電池的氫氣氧化、甲醇氧化、甲酸氧化以及氧氣的還原等化學反應，屬于十分常見的貴金屬催化劑。鉑金催化劑可以促進氫氣和氧氣的反應，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，提高氫燃料電池的效率和壽命。
鉑作為燃料電池“心臟”能降低電極反應的活化能，提高反應速率，使燃科電池商業(yè)化成為可能，被稱為燃料電池“心臟”。目前鉑系催化劑的電流密度、催化活性和穩(wěn)定性突出，是燃料電池主流催化劑。鉑族金屬被納入多國戰(zhàn)略金屬，廣泛應用于汽車催化劑、氫能、工業(yè)催化、醫(yī)療等領(lǐng)域。未來受益于汽車排放政策收緊、氫能市場放量、高性能玻纖產(chǎn)能擴張，鉑族金屬需求預期放量。但我國由于鉑族金屬行業(yè)起步較晚，且鉑礦主要產(chǎn)地在南非，我國主要依靠海外進口，因此國外龍頭企業(yè)市場占有率較高。
目前由于海外企業(yè)在鉑催化劑的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上領(lǐng)先，因此海外可實現(xiàn)鉑催化劑大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)較多，海外燃料電池催化劑主要由莊信萬豐、巴斯夫等海外企業(yè)掌控，而國內(nèi)布局燃料電池催化劑的企業(yè)相對稀缺，主要有貴研鉑業(yè)、喜馬拉雅光電科技公司、中科科創(chuàng)等，但僅喜馬拉雅、上海交通大學和大連化物所等實現(xiàn)了小規(guī)模化生產(chǎn)，在鉑載量、質(zhì)量比活性等方面與海外企業(yè)相比仍有較大的差距。此外，上市公司貴研鉑業(yè)在燃料電池催化劑方面也早有布局。
鉑業(yè)巨頭
國內(nèi)主流企業(yè)主要有貴研鉑業(yè)、喜馬拉雅光電科技公司、中科科創(chuàng)等，但僅喜馬拉雅、上海交通大學和大連化物所等實現(xiàn)了小規(guī)模化生產(chǎn)，在鉑載量、質(zhì)量比活性等方面與海外企業(yè)相比仍有較大的差距。
貴研鉑業(yè)是國際五大知名貴金屬公司之一，在燃料電池催化劑領(lǐng)域布局較早， 作為貴金屬新材料龍頭，貴研鉑業(yè)已建立較為完整的貴金屬產(chǎn)業(yè)鏈體系，是國內(nèi)目前唯一在貴金屬材料領(lǐng)域擁有系列核心技術(shù)和完整創(chuàng)新體系、集產(chǎn)學研為一體的上市公司。在氫燃料電池催化劑方面，貴研鉑業(yè)表示目前涉及的主要還是燃料電池用鉑碳催化劑的研發(fā)，但尚處于實驗室驗證階段，尚無商品化的產(chǎn)品。
喜馬拉雅光電科技公司集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售氫燃料電池及其核心部件等環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品為一體。在燃料電池領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權(quán)近百余項，其中發(fā)明專利占比50%以上，擁有自主職時產(chǎn)權(quán)的Pt催化劑、膜電極、電堆及車用動力系統(tǒng)，已被國內(nèi)外多家企業(yè)采購，應用氫燃料電池發(fā)動機系列已成功裝車，正常運行近10萬公里。當前，武漢喜馬拉雅Pt/C催化劑日產(chǎn)能力達到200g；催化劑粒徑2-3nm之間；電化學活性面積可達90m2/g；量產(chǎn)Pt/C 催化劑主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%幾種規(guī)格，具有高活性、高穩(wěn)定性、低成本優(yōu)勢。
中科科創(chuàng)專注于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能貴金屬基納米催化劑開發(fā)。依托于中科院上海高等研究院人才隊伍和技術(shù)優(yōu)中科科創(chuàng)現(xiàn)在擁有兩大類燃料電池催化劑：鉑基類催化劑、鉑鎳碳類催化劑，已經(jīng)實現(xiàn)了公斤級規(guī)模化制備。
在貴金屬催化劑全球市場領(lǐng)域，巴斯夫、莊信萬豐、賀利氏等企業(yè)依靠強競爭力及多樣化的貴金屬催化劑產(chǎn)品幾乎壟斷了全球高端貴金屬催化劑市場；國內(nèi)公司主要有貴研鉑業(yè)、陜西瑞科、凱大催化、凱立新材以及中國石化催化劑等公司。而國內(nèi)貴金屬回收市場同樣被外資所主導（莊信萬豐、賀利氏、田中貴金屬等），貴研鉑業(yè)是國內(nèi)貴金屬回收業(yè)務的龍頭公司之一。
隨著全球高端科技競爭愈發(fā)激烈，鉑族金屬戰(zhàn)略價值日益凸顯。供應方來看，南非和俄羅斯目前都面臨許多供應問題，全球供應鏈穩(wěn)定性受到威脅。需求也不斷擴大：隨著全球高端科技競爭愈發(fā)激烈，汽車、國防軍工、化工、醫(yī)藥、新材料、環(huán)保、糧食生產(chǎn)都能找到鉑族金屬的身影，戰(zhàn)略價值日益凸顯。
美國、俄羅斯、歐盟、日本等均已將鉑族金屬列入戰(zhàn)略儲備金屬。我國一直以來鉑原材料對海外依賴度高，因此擁有足夠的鉑族金屬儲備和穩(wěn)定的供應來源是是我國一個迫在眉睫需要面對和解決的問題。
根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心的預測分析，到 2023 年中國貴金屬催化劑行業(yè)的規(guī)模將達到 205.6 億元，較 2018 年的 80.77 億元增長 155%。考慮到國家層面對新材料發(fā)展戰(zhàn)略定位的提升，隨著近兩年國內(nèi)企業(yè)需加大，及在技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)力度加強，貴金屬催化劑行業(yè)研發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模以及產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，貴金屬催化劑的國產(chǎn)替代空間不斷被打開。
回收前景廣闊
推動鉑族金屬回收再利用，對增強我國資源自給能力也具有極其重要的作用。鑒于我國鉑族金屬儲量低的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段我國提升鉑族金屬自給率的主要方法也在于推進鉑族金屬回收，加大鉑族金屬二次回收政策扶持力度，給予相關(guān)企業(yè)稅收優(yōu)惠。
目前我國鉑族金屬回收規(guī)模仍較小，以鉑金為例，2019-2021年，國內(nèi)鉑金回收供給量僅不到 10 噸。遠低于主要發(fā)達國家，我國在貴金屬領(lǐng)域，尤其是鉑族金屬資源循環(huán)再利用方面仍存在較大的發(fā)展空間。我國的鉑回收現(xiàn)狀是鉑金的大部分工業(yè)用途都是工業(yè)用戶內(nèi)部回收鉑金的閉環(huán)回收。而在過去二十年中，全球汽車、首飾和工業(yè)領(lǐng)域的回收通常占供應量的30%左右，因此，做好回收工作，其進步空間將在供應領(lǐng)域創(chuàng)造較大的回報。
不少企業(yè)也在積極研發(fā)非鉑或低鉑催化劑產(chǎn)品，力圖從技術(shù)上松開卡住其成本的大手。近年來，不少企業(yè)都積極蓄力技術(shù)研發(fā)，通過在碳載體上直接負載高活性鉑納米團簇的方法降低鉑使用量并提高發(fā)電特性，或者提高鉑金反應效率。
近期，香港科技大學（HKUST）的科學家們研發(fā)出了一種新的氫燃料電池。據(jù)稱，它不僅是迄今為止世界上最耐用的氫電池，而且更具有成本效益，為全球更廣泛地應用綠色能源鋪平了道路。該研究表明，原子分散的 Pt 和 Fe 單原子和 Pt-Fe 合金納米粒子組成的復合電催化劑。其Pt質(zhì)量活性是燃料電池中商業(yè) Pt/C 的 3.7 倍。更重要的是，陰極低負載量Pt催化劑（0.015?mgPtcm-2）顯示出出色的耐久性，100000 次循環(huán)后活性保持率為97%，并且在0.6?V電壓下運行超200 h沒有明顯的電流下降。
但其實早在2018年，布朗大學的科學家就研發(fā)出了一種新的催化劑，基于鉑和鈷合金制成的納米顆粒催化劑不僅比純鉑更便宜且效率更高，壽命更長，但是后續(xù)還沒有進行商業(yè)化落地。
