科普 | 什么是氢燃料电池催化剂？

催化剂是燃料电池汽车示范城市群政策重点支持技术攻关的8大核心部件之一，在氢能与燃料电池产业领域，催化剂作为影响膜电极及电堆整体性能表现的关键原材料，其重要性不言而喻。作为燃料电池电堆的核心材料，催化剂的综合性能与国产化直接关系到我国燃料电池技术的核心竞争力及其产业化前景。

01 什么是催化剂？

‌氢燃料电池催化剂的主要作用是促使氢气氧化反应和氧气还原反应的发生，从而产生电能。在燃料电池的电化学反应中，主要涉及两个反应，分别是阳极的氢氧化（HOR）和阴极的氧还原（ORR）。阳极的电化学反应过程很快，阴极的反应过程缓慢，为提高燃料电池的整体反应效率，需要用到催化剂来提高阴极的反应速率。

02 催化剂在氢燃料电池中的重要性

氢燃料电池中技术最成熟的是质子膜燃料电池(PEMFC )，氢燃料电池催化剂作为质子交换膜氢燃料电池膜电极(MEA)的关键材料之一‌，它决定了电池的放电性能和寿命。催化剂作为氢燃料电池电堆的核心部件之一，成本占比最高（36%）。

氢燃料电池电堆成本结构组成细分 来源：华经情报网

根据庄信万丰（Johnson Matthey）的测算，早期每辆氢燃料电池汽车的铂含量为30-80克，铂消耗量为传统柴油车的3-8倍；近年来，随着技术进步，单车铂含量有所下降，目前海外最新的研究能够将铂用量降至0.06g/kW（约7.06g/辆），国内技术水平则为0.3g/kW，而丰田等第一梯队车企的商业化车型用量大约为0.17g/kW（约20g/辆）。目前我国氢燃料电池车辆正在处于逐步起飞的状态，但成本偏高的问题一直存在，其中与催化剂中贵金属使用量大有关，同时也与国产化还比较低有关。正是在这层意义上来说，催化剂也是氢能领域中的卡脖子技术之一。 

03 氢燃料电池催化剂类型

氢燃料电池的主要催化剂类型主要包括以下几种：纯铂催化剂：铂（Pt）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。铂对氢气的氧化反应（HOR）和氧气的还原反应（ORR）都具有很高的催化活性。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。

燃料电池汽车应用中铂需求增长趋势，图源世界铂金投资协会低铂催化剂：既然铂金属成本高，科学家们和企业通过与其他金属的合金化来提高催化剂的稳定性和活性，同时也降低对铂的使用量。这些合金主要用的是钴、镍、铁、铜、锌等。非铂基催化剂：由于铂的稀缺性和高成本，研究者们一直在探索非铂基催化剂作为替代方案。这些催化剂主要包括钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。非贵金属催化剂包括铁、钴、镍等，非金属催化剂中最常见的是碳基催化剂，如碳纳米管、碳纤维、石墨烯等。非铂基催化剂的活性通常低于铂基催化剂，但它们的成本更低，且在某些条件下可能表现出良好的稳定性和耐久性。

催化剂分类除了以上分类，也有一些特殊功能的催化剂正在研发和投入应用当中。双功能催化剂：是指能够同时催化氢气的氧化反应和氧气的还原反应，从而简化燃料电池的结构并提高能量转换效率。一些铂基合金催化剂和非铂基催化剂都被研究用于双功能催化剂的制备。

复合催化剂：由多种材料组成，通过材料之间的相互作用来提高催化剂的性能。例如，将铂纳米颗粒负载在具有高比表面积和良好导电性的碳载体上，可以制备出高活性的复合催化剂。铂碳催化剂主要用于燃料电池中的氢气、甲醇、甲酸氧化及氧气还原等反应。这种催化剂因其贵金属成分含量较少而广受欢迎。

酶基催化剂：利用生物酶作为催化剂，在较低的温度和压力下实现氢气和氧气的反应。虽然酶基催化剂的活性较低，但它们具有生物相容性和环境友好性等优点，因此在某些特定领域具有潜在的应用价值。

04  催化剂最怕“中毒”

好的催化剂的性能主要体现是催化活性、稳定性、耐久性等。其中，催化活性是指催化剂在单位时间内转化反应物的能力。

使用铂作为催化剂，氢燃料电池的性能与铂的载量和单位铂载量的性能成正比，而单位铂载量的性能取决于铂的电化学活性比表面积（铂原子的利用率）、表面铂原子的催化活性和在燃料电池中氧气的传输效率。所以相同铂载量的膜电极，其发电性能可以差异很大。提升催化活性是催化剂研发生产的要义。 

稳定性是指催化剂在反应过程中不发生结构变化或失活现象的能力；耐久性则是指催化剂在长期使用过程中不失去其活性和稳定性的能力。当催化剂的性能“受伤”，催化活性、稳定性、耐久性出现问题，那就说明催化剂“中毒”了。催化剂中毒的原因有几种可能，原料中所含的少量杂质，或是温度过高，或是强吸附（多为化学吸附）在活性中心上，或是与活性中心起化学作用，变为别的物质，都能使活性中心中毒．另外，反应产物中也可能有这样的毒物；在催化剂的制备过程中，载体内所含的杂质与活性组分相互作用，也可能毒化活性中心。铂催化剂中毒的原因多种多样，包括但不限于杂质、温度变化、以及反应物中的杂质等。为了预防催化剂中毒，需要对催化剂的生产和加工过程进行严格控制，避免引入不必要的杂质，同时在反应过程中保持适宜的温度和纯净的反应物‌。

05 国内催化剂知名企业

据有关数据统计，正在运行中的氢燃料电池车超过90%的燃料电池使用的是进口催化剂。在国内市场活跃的国外燃料电池催化剂供应商主要有田中贵金属（TKK）、庄信万丰（JM）、优美科等多家公司。虽然催化剂一直被认为是氢能领域国产化步伐比较迟缓的一个部分，但是随着国内氢能产业整体原材料国产化进程的持续加速，部分优秀的国产催化剂企业逐渐在这一领域崭露头角，甚至在性能上已经与国际品牌不相伯仲。

国氢科技：

2022年10月，国氢科技“自主化燃料电池催化剂关键技术开发与应用”项目获中国发明协会2022年度“发明创业奖成果奖”一等奖。本次获奖项目开发了一种燃料电池新型Pt基多元合金阴极催化剂和一种新型、高效的PtRuIr基阳极催化剂，综合性能超过同类型国际产品。基于本项目自主化技术，建成催化剂产线，已实现年产能500kg。项目成果已批量投产用于国氢科技“氢腾”大功率燃料电池，已经过2022年北京冬奥会冬残奥会及2021年博鳌论坛大巴车实车验证，以卓越的性能和稳定性取得了良好的社会反响。

龙蟠科技：

龙蟠科技旗下专业生产燃料电池及PEM电解槽催化剂的全资子公司是铂源催化，原名龙蟠氢能源，主营产品为适用于燃料电池的铂碳、合金催化剂以及适用于PEM电解槽的氧化铱、钌铱合金、铂黑等贵金属催化剂。依托于与中国科学院大连化物所共建的车用燃料电池催化剂联合实验室，铂源催化不断革新产品技术和生产工艺，持续提升产品关键性能。今年1至8月的同比销量已经实现翻倍增长。

贵研铂业：

贵研铂业是国内贵金属催化剂龙头企业。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。

济平新能源：

济平新能源成立于2018年8月，致力于为客户提供氢能与燃料电池催化剂一站式解决方案和服务，核心管理团队具备燃料电池产业多年经验，拥有丰富的催化剂研发及生产经验。济平新能源是国内首家量产燃料电池催化剂的公司，拥有完全自主知识产权的全国首条“全自动化燃料电池催化剂生产线”，单条产线年产量可达2吨，产值达6亿元。截止2022年6月，已有14款电堆搭载济平新能源所产催化剂，适配31款车型，实际交付车辆681台。

海卓健：

海卓健新能源材料（上海）有限公司是一家从事氢能催化剂研发、生产、销售、测试的科技公司，由哈工大王震波教授与投资者出资创立，依托于哈尔滨工业大学、深圳大学等，拥有氢能催化剂领域多项核心技术与专利。与国内外领先竞品性能相对，国际知名品牌燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kW，我国的铂用量大概在0.3~0.4 g/kW，而海卓健可达到~0.222g/kW。

武汉喜玛拉雅：

武汉喜玛拉雅光电与清华大学有深度合作，利用清华大学催化剂制备工艺开展Pt/C催化剂的量产技术攻关。2018年3月，燃料电池Pt/C催化剂量产技术取得了重大突破，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。所生产的Pt催化剂、膜电极、电堆及车用动力系统等产品已被国内外多家企业采购应用。

中自科技：

中自科技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。在氢燃料电池电催化剂领域，中自科技铂碳电催化剂生产线已于2022年7月初建成并通过验收，该生产线可实现铂碳电催化剂公斤级放大生产。

南京东焱：

南京东焱主要致力于纳米催化剂材料的研发、生产、销售和技术服务，是一家由南京大学、南京市麒麟科技创新园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。南京东焱拥有质子交换膜燃料电池催化剂DOIN-PCO系列，电解水制氢催化剂DOIN-PN系列，直接甲醇燃料电池催化剂DOIN-PT系列等多种材料产品。

擎动科技：

擎动科技于2017年自主开发出第一款催化剂和膜电极产品，2019年2月投产国内首条自主开发的卷对卷直接涂布法的膜电极生产线，其开发的铂合金催化剂能够将燃料电池的铂消耗量降低7%，是国内首个实现量产的燃料电池用铂合金催化产品。2022年5月擎动科技被燃料电池电堆企业氢晨科技全资收购，二者将共同建立从催化剂、膜电极到电堆的一体化协同开发体系。

凯立新材：

凯立新材是我国精细化工领域技术领先的贵金属催化剂供应商。氢能源催化剂方面，凯立新材已于2022年实现质子交换膜燃料电池催化剂公斤级批量试产，新工艺已经进入中试阶段；PEM电解水制氢催化剂处于小试实验阶段。

中科科创：

中科科创拥有多项核心技术，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，目前拥有2.8nm、3.1nm、3.8nm粒径的铂碳催化剂，3.8nm、4.6nm的钯碳催化剂等多种型号催化剂，还提供低载量（0.1~20wt.%）的铂碳、钯碳，纳米氧化铱、纳米金催化剂等产品。

氢电中科：

氢电中科核心产品有铂钴/铂镍PtCo/PtNi）合金催化剂、铂碳催化剂（Pt/C）。氢电中科催化剂产品已顺利通过多家燃料电池领先企业的全过程验证，采用其催化剂产品的80kW/100kW/110kW燃料电池系统已通过国家强检。

格林美：

格林美是中国对电子废弃物、废旧电池进行经济化、规模化循环利用的领先企业之一。2019年，格林美成立氢燃料电池材料研究中心，主要致力于铂碳催化剂、铂钴合金催化剂、铂钴核壳结构催化剂的开发。  

唐锋能源：

唐锋能源与上海交通大学合作设立燃料电池关键技术及产业发展联合研究中心，将上海交大燃料电池研究所团队的重要研究成果——适合车用工况的合金催化剂，其铂载量较传统的铂碳催化剂大幅减少——转化为产品，铂载量达到国际先进水平。

新动力：

2023年2月，雄安新动力称，公司目前首条公斤级氢燃料电池催化剂生产线已经完成试生产。产品为60%质量分数的Pt/C催化剂。其电化学活性面积和质量比活性分别高达84.7m2/g和199A/g，该指标均达到或者超过国际一线催化剂同类产品参数，符合设计使用要求。

06 催化剂能改进提升的所在

科学家和催化剂生产企业都对氢燃料电池催化剂投入了巨大科研力量。这些科研工作中有多个方向，主要包括提升铂的活性和耐久性以及对铂的替代。

第一个方向最新的科技进展是9月14日消息，由加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学家和化学家领导的一个华人研究小组设计了一种新的催化剂，可以使燃料电池更耐用。因为铂会随着时间的推移而溶解，从而降低燃料电池的性能，他们的方案是将氧化钴分子簇嵌入铂原子壳中，该设计利用了强大的氧化铂相互作用，使催化剂在结构和化学上更耐用，通过这种手段来延长催化剂的寿命，因为铂会随着时间的推移而溶解，从而降低燃料电池的性能。

第二个方向最新的科技进展是复旦大学6月26日发布，该校材料科学系吴仁兵、方方教授团队在高效非贵金属析氢电催化剂方面获新进展，创造性地制备出零维钴纳米粒子、一维氮掺杂碳纳米管和二维石墨烯耦合而成的分级复合结构体系，以解决过渡金属如铁、钴、镍纳米颗粒对氢原子的吸附较强而不容易脱附、颗粒易团聚、比表面积低、在电解液的操作环境下不稳定等问题，取得了催化活性和稳定性与贵金属铂相接近的研究成果。

目前燃料电池催化剂相关知识产权主要掌握在西方少数发达国家手中，导致其在电堆中占据很大一部分成本。我国需要尽快突破燃料电池催化剂“卡脖子”技术，拥有自主研发的氢燃料电池相关的催化剂专利，从源头上解决氢能源的第一道关。资料来源：华经研究、催化新视界等。