全球及中國氫燃料電池催化劑行業現狀分析,向低鉑和非鉑方向發展

華經情報網 發佈 2022-05-22T23:59:57.273273+00:00

一、燃料電池催化劑綜述燃料電池(Fuel Cell)又稱電化學發電器,用燃料和氧氣作為原料,通過電化學反應將燃料化學能部分轉換成電能。

一、燃料電池催化劑綜述

燃料電池(Fuel Cell)又稱電化學發電器,用燃料和氧氣作為原料,通過電化學反應將燃料化學能部分轉換成電能。根據電解質類型的不同,當前燃料電池主要分為以下6種:質子交換膜燃料電池(PEMFC)、甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸鹽燃料電池(PAFC)、鹼性燃料電池(AFC)、熔融鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。其中質子交換膜燃料電池(PEMFC)因高效、低溫快速啟動、零污染、低噪音的優點,成為當前市面上的主流燃料電池產品,出貨量占據顯著優勢。

電堆系統是氫能車的心臟。電堆主要由催化劑、質子交換膜、氣體擴散層,以及其他結構件等組成。氫燃料電池占整車成本40%,而電堆占燃料電池系統成本的62%,燃料電池堆主要是由單燃料電池構成,單電池又包括雙極板、密封圈、膜電極(MEA),其中膜電極包括質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層,催化劑占電堆成本低的36%。

氫燃料電池電堆成本結構組成細分(單位:%)

資料來源:公開資料整理

催化是使電極與電解質界面上的電荷轉移反應得以加速的催化作用,電催化反應速度不僅由電催化劑的活性決定,而且與雙電層內電場及電解質溶液的本性有關。催化層是發生電化學反應的場所,是電極的核心部分。

催化劑有低鉑、鉑基及非鉑三類,關係到燃料電池電堆的性能和壽命。目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C,通常用高比表面積的碳搭載鉑納米顆粒,然後將鉑碳催化劑均勻分散在電極表面。

氫燃料電池催化劑分類情況

資料來源:公開資料整理

二、燃料電池催化劑行業現狀

1、燃料電池汽車

從全球市場來看,燃料電池汽車銷量及保有量大幅增長。據統計,2021年全球氫能源汽車銷量達16313輛,同比2020年增長68%,截止2021年保有量已達49562輛。

2020-2021年全球燃料電池汽車銷量及保有量情況

資料來源:公開資料整理

從中國市場來看,2016-2019年產量CAGR達到65%。2020年受疫情影響略有滑坡,2021年銷量達1586輛,同比2020年增長35%左右,近五年整體呈產銷量上升趨勢。從2022年前兩個月氫能源汽車產銷量而言,根據中汽協分別達到了355輛和370輛,行業或將迎來爆發期。

2016-2022年中國燃料電池汽車產量及銷量情況

資料來源:中汽協,華經產業研究院整理

2、燃料電池出貨情況

從燃料電池出貨功率及裝機情況來看,全球和中國燃料電池裝機持續增長。據統計,2020年全球燃料電池裝機容量為1319MW,中國裝機容量為87MW。

2015-2020年全球及中國燃料電池出貨功率變化

資料來源:公開資料整理

3、 燃料電池催化劑行業現狀

燃料電池汽車單車載鉑量整體呈下降態勢。據莊信萬豐數據,早期氫燃料電池汽車的鉑含量為30-80克/輛,鉑消耗量為傳統柴油車的3-8倍;近年來,隨著技術進步,單車鉑含量有所下降,國內燃料電池鉑催化劑已經開始量產,但距離國際先進水平仍有差距。本田Clarity催化劑Pt含量降至16克/輛,豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達到20克/輛,而國內鉑用量大概在30-40克/輛水平。

儘管當前全球氫燃料電池車數量有限,但預計2035年全球燃料電池車保有量能達到300萬輛,而技術進步推動每輛載鉑降至當前1/3(10克),則2021-2035年期間合計鉑金需求量將達到44噸,2035年燃料電池載鉑用量達到8.4噸。

2020-2035年全球燃料電池催化劑用鉑需求量情況

資料來源:莊信萬豐,華經產業研究院整理

目前我國鉑催化劑以進口為主,國內技術正起步。「以貴金屬及其化合物為活性物的載體催化劑」海關編碼「38151200」。據海關總署數據,2021年我國貴金屬催化劑進口數量為6179噸,出口數量為1715噸,進口金額為14.21億美元,出口金額為2.23億美元。

2015-2021年中國貴金屬催化劑進出口數量情況

資料來源:海關總署,華經產業研究院整理

從進口分布情況來看,歐洲、北美洲和亞洲是我國主要進口地區,分別占比(按進口量)51.9%、35.7%、12.0%,共計99.6%。具體來看,美國是我國的主要進口國,進口數量為219.3噸,進口金額為5.15億美元。

2021年中國貴金屬催化劑進口占比國家分布

註:內圈按進口數量占比分布,外圈按進口金額占比分布。

資料來源:公開資料整理

相關報告:華經產業研究院發布的《2022-2027年中國燃料電池催化劑行業發展監測及投資戰略研究報告》

三、燃料電池催化劑行業競爭格局

從全球市場競爭格局來看,日本田中貴金屬、英國莊信萬豐和比利時優美科是全球較大的幾家燃料電池催化劑供應商,催化劑製備技術處於絕對領先地位,已經能夠實現批量化生產(大於10kg/批次),而且性能穩定,可靠性高。貴研鉑業、武漢喜馬拉雅、中科科創、蘇州擎動科技、武漢理工新能源等是國內開展催化劑開發的代表企業。其中,貴研鉑業是國際五大知名貴金屬公司之一,在燃料電池催化劑領域布局較早,是行業內唯一的上市公司。貴研鉑業與上海汽車集團合作已經研發出鉑基催化劑。根據公司官網,蘇州擎動科技開發的鉑合金催化劑能夠將燃料電池的鉑消耗量降低7%,是國內首個實現量產的燃料電池用鉑合金催化產品。

國內外燃料電池催化劑生產企業介紹

資料來源:公開資料整理

四、燃料電池催化劑行業未來發展趨勢

1、國內市場起步較慢,未來發展前景好

目前,我國的催化劑市場基本海外企業占據,國內企業還處在小批量或研發階段。國內外燃料電池催化劑技術差距較大,其中鉑族金屬載量海外已經進展到 0.06g/kw,0.35mg/cm2;國內為 0.3g/kw,0.16mg/cm ;活性衰減方面,海外已經實現 3 萬次循環後衰減在 5% 以內;國內 3 千次循環後衰減達到86%。近年來,政策加碼貴金屬催化劑行業發展,未來發展前景向好。

2、燃料電池汽車用鉑量持續降低

根據莊信萬豐(Johnson Matthey)的測算,早期每輛氫燃料電池汽車的鉑含量為30-80克,鉑消耗量為傳統柴油車的3-8倍;近年來,隨著技術進步,單車鉑含量有所下降,目前海外最新的研究能夠將鉑用量降至0.06g/kW(約7.06g/輛),國內技術水平則為0.3g/kW,而豐田等第一梯隊車企的商業化車型用量大約為0.17g/kW(約20g/輛),未來隨著技術的進步,每輛燃料電池汽車載鉑量降至更低。

3、非鉑催化劑是發展方向

非貴金屬和非金屬催化劑則完全擺脫了對貴金屬的依賴,但穩定性與Pt基催化劑仍有較大差距。在眾多非貴金屬催化劑中,過渡金屬-氮-碳化合物因其具有可觀的ORR催化活性(在酸性溶液中)、低成本、壽命長、抗甲醇和環境友好等特點,被認為是最具潛力替代鉑基催化劑的非貴金屬燃料電池催化劑之一。非金屬催化劑的研究主要是各種雜原子摻雜的納米碳材料,包括硼摻雜、氮摻雜、磷摻雜等。碳材料摻雜後能明顯提升氧還原催化活性,但催化劑的穩定性較Pt基催化劑仍有較大差距。非鉑催化劑真正實現產業化還需要解決高活性、高穩定性的問題。

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2021-10-19T06:34:35.836574+00:00

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