深度|跳动的动力：作为燃料电池心脏的铂

作为燃料电池的催化剂，贵金属铂的作用一直无法被替代。

去年11月以来，国际黄金价格一路狂飙，并于今年5月初创出两年半新高，价格一度冲上2085.4美元/盎司。随着黄金价格的攀升，铂金的价格也稳中有升。作为燃料电池的重要催化剂，价格高企的铂金将如何影响氢能及燃料电池产业的发展？

作为氢燃料电池的核心部位，电堆催化剂的作用是促进氧化剂和氢气的反应，使电子离开氢原子，将气体转化为电能，从而提供燃料电池的核心能量。

目前尚未有其他材料可用于替代铂催化剂。由于铂属于贵金属材料，价格昂贵，因此，虽然有不少学者试图通过铂基合金甚至是非铂基催化剂的方式来降低催化剂中的铂含量，以降低燃料电池成本，但目前均处于研发阶段，距离实际落地还有很长的一段路要走。铂是当前唯一具备规模化生产能力的 PEMFC 催化剂材料。

上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所所长、致远学院常务副院长章俊良表示，燃料电池目前最大的一个问题是它的成本过高，对于整个电堆来说，催化剂加膜电极占到成本的70%以上，这是目前成本难以下降的最大原因。

氢燃料电池成本结构中，占比最高的电堆占其系统成本的65%；而催化剂占电堆成本的约36%，主要是因为铂金属作为催化剂，其产量低、需求大、成本高昂。

当前全球现有燃料电池铂用量大约在0.3-0.5g/KW左右，海外部分第一梯队车企的氢燃料电池汽车铂用量可降至0.17g/kW左右（对应约20g/辆），但单车用量仍明显高于传统燃油车（汽油车约4g/辆，柴油车约5-10g/辆）。铂资源的匮乏和高成本制约了燃料电池大规模商业化，超低铂、无铂催化剂是未来研发方向。

稀有金属铂

铂是地壳中最稀少的元素之一 。世界上铂资源最丰富的国家是南非，其次是俄罗斯、加拿大和美国。我国铂产地主要在云南，但我国矿山铂产量较低。2016-2018年我国矿山铂年产量预计在3t左右。根据中国矿产资源报告( 2007-2018)统计数据，2008 -2012年，虽然我国铂族金属查明资源储量逐年增长，由2008年的324.1 t增长至2017年的365.3 t。 但是我国铂产量仍然是处于一个较低的生产水平，若想满足日常生产，还是需要依靠海外进口。

根据官方资料显示，2018年全球铂需求量最大的国家为中国，而中国、欧盟、日本、美国都是铂金属净进口大国。2014-2018年，全球铂金属需求基本稳定，约为250 t左右。据《我国铂族金属产业现状及战略储备研究》一文介绍，2020 年中国铂族金属中铂对外依存度高达90%，钯和铑也分别达到了70%和80%。

公开资料显示，全球铂金储量为1.4万吨，应用于珠宝、汽车、投资、工业等领域。铂是我国亟需且紧缺的矿种之一，除机动车催化剂用途外，贵金属催化剂作为优化化学反应速度的新材料亦广泛应用于石油、矿产、化学、医药、环保等工业领域；如化工领域中85%以上的化学反应需要依靠催化剂进行，在炼油及石化领域中贵金属催化剂亦因其催化活性及选择性而成为必不可少的生产要素。美国、欧盟、澳大利亚等发达国家都将其作为战略性矿产。2018年以来，日本、韩国、欧盟、美国和我国大力发展氢能源汽车产业，氢能源汽车燃料电池对铂的需求量将不断增大，开展对全球及中国铂金属资源现状的总结与需求趋势的研究，对我国新形势下矿产资源安全有着重要意义。

据中信证券研究部氢能组预测，2030年全球绿氢需求或达 6120万吨，对应电解槽需求量 841.5GW，届时将会随之产生20吨铂族金属需求；而随着氢能产业的发展，全球燃料电池车渗透率不断提高，预计2025/2030/2050 年全球燃料电动车有望带来 1.60/3.97/25.56 吨铂金需求。国家发展改革委、国家能源局发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，未来氢能源产业发展广阔，如此看来，铂族金属远期需求空间将持续上涨。

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）。虽然用量极少，但这种贵金属在氢燃料电池系统中的表现确实着实是眼下效率最高，暂时是不可替代的。

因为相关技术的壁垒颇高，催化剂作为上游拥有较大的话语权，进一步推升了下游成本，限制了我国氢能源燃料电池的发展。我国需要自主研发的氢燃料电池相关的催化剂专利，才能从源头上解决氢能源的第一道关。

目前氢燃料电池的催化剂主要分为三个大类：铂(Pt)催化剂，低铂催化剂和非铂催化剂。其中低铂催化剂分为核壳类催化剂与纳米结构催化剂，非铂催化剂分为钯基催化剂、非贵金属催化剂与非金属催化剂。铂碳催化剂是将铂负载到活性炭上的一种载体催化剂，主要用于燃料电池的氢气氧化、甲醇氧化、甲酸氧化以及氧气的还原等化学反应，属于十分常见的贵金属催化剂。铂金催化剂可以促进氢气和氧气的反应，不产生任何有害物质，提高氢燃料电池的效率和寿命。

铂作为燃料电池“心脏”能降低电极反应的活化能，提高反应速率，使燃科电池商业化成为可能，被称为燃料电池“心脏”。目前铂系催化剂的电流密度、催化活性和稳定性突出，是燃料电池主流催化剂。铂族金属被纳入多国战略金属，广泛应用于汽车催化剂、氢能、工业催化、医疗等领域。未来受益于汽车排放政策收紧、氢能市场放量、高性能玻纤产能扩张，铂族金属需求预期放量。但我国由于铂族金属行业起步较晚，且铂矿主要产地在南非，我国主要依靠海外进口，因此国外龙头企业市场占有率较高。

目前由于海外企业在铂催化剂的研发和产业化上领先，因此海外可实现铂催化剂大规模生产的企业较多，海外燃料电池催化剂主要由庄信万丰、巴斯夫等海外企业掌控，而国内布局燃料电池催化剂的企业相对稀缺，主要有贵研铂业、喜马拉雅光电科技公司、中科科创等，但仅喜马拉雅、上海交通大学和大连化物所等实现了小规模化生产，在铂载量、质量比活性等方面与海外企业相比仍有较大的差距。此外，上市公司贵研铂业在燃料电池催化剂方面也早有布局。

铂业巨头

国内主流企业主要有贵研铂业、喜马拉雅光电科技公司、中科科创等，但仅喜马拉雅、上海交通大学和大连化物所等实现了小规模化生产，在铂载量、质量比活性等方面与海外企业相比仍有较大的差距。

贵研铂业是国际五大知名贵金属公司之一，在燃料电池催化剂领域布局较早， 作为贵金属新材料龙头，贵研铂业已建立较为完整的贵金属产业链体系，是国内目前唯一在贵金属材料领域拥有系列核心技术和完整创新体系、集产学研为一体的上市公司。在氢燃料电池催化剂方面，贵研铂业表示目前涉及的主要还是燃料电池用铂碳催化剂的研发，但尚处于实验室验证阶段，尚无商品化的产品。

喜马拉雅光电科技公司集研发、生产、销售氢燃料电池及其核心部件等环保节能产品为一体。在燃料电池领域拥有自主知识产权近百余项，其中发明专利占比50%以上，拥有自主职时产权的Pt催化剂、膜电极、电堆及车用动力系统，已被国内外多家企业采购，应用氢燃料电池发动机系列已成功装车，正常运行近10万公里。当前，武汉喜马拉雅Pt/C催化剂日产能力达到200g；催化剂粒径2-3nm之间；电化学活性面积可达90m²/g；量产Pt/C 催化剂主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%几种规格，具有高活性、高稳定性、低成本优势。

中科科创专注于具有自主知识产权的高性能贵金属基纳米催化剂开发。依托于中科院上海高等研究院人才队伍和技术优中科科创现在拥有两大类燃料电池催化剂：铂基类催化剂、铂镍碳类催化剂，已经实现了公斤级规模化制备。

在贵金属催化剂全球市场领域，巴斯夫、庄信万丰、贺利氏等企业依靠强竞争力及多样化的贵金属催化剂产品几乎垄断了全球高端贵金属催化剂市场；国内公司主要有贵研铂业、陕西瑞科、凯大催化、凯立新材以及中国石化催化剂等公司。而国内贵金属回收市场同样被外资所主导（庄信万丰、贺利氏、田中贵金属等），贵研铂业是国内贵金属回收业务的龙头公司之一。

随着全球高端科技竞争愈发激烈，铂族金属战略价值日益凸显。供应方来看，南非和俄罗斯目前都面临许多供应问题，全球供应链稳定性受到威胁。需求也不断扩大：随着全球高端科技竞争愈发激烈，汽车、国防军工、化工、医药、新材料、环保、粮食生产都能找到铂族金属的身影，战略价值日益凸显。

美国、俄罗斯、欧盟、日本等均已将铂族金属列入战略储备金属。我国一直以来铂原材料对海外依赖度高，因此拥有足够的铂族金属储备和稳定的供应来源是是我国一个迫在眉睫需要面对和解决的问题。

根据新思界产业研究中心的预测分析，到 2023 年中国贵金属催化剂行业的规模将达到 205.6 亿元，较 2018 年的 80.77 亿元增长 155%。考虑到国家层面对新材料发展战略定位的提升，随着近两年国内企业需加大，及在技术领域的研发力度加强，贵金属催化剂行业研发投入、生产规模以及产品质量有了质的飞跃，贵金属催化剂的国产替代空间不断被打开。

回收前景广阔

推动铂族金属回收再利用，对增强我国资源自给能力也具有极其重要的作用。鉴于我国铂族金属储量低的现状，现阶段我国提升铂族金属自给率的主要方法也在于推进铂族金属回收，加大铂族金属二次回收政策扶持力度，给予相关企业税收优惠。

目前我国铂族金属回收规模仍较小，以铂金为例，2019-2021年，国内铂金回收供给量仅不到 10 吨。远低于主要发达国家，我国在贵金属领域，尤其是铂族金属资源循环再利用方面仍存在较大的发展空间。我国的铂回收现状是铂金的大部分工业用途都是工业用户内部回收铂金的闭环回收。而在过去二十年中，全球汽车、首饰和工业领域的回收通常占供应量的30%左右，因此，做好回收工作，其进步空间将在供应领域创造较大的回报。

 不少企业也在积极研发非铂或低铂催化剂产品，力图从技术上松开卡住其成本的大手。近年来，不少企业都积极蓄力技术研发，通过在碳载体上直接负载高活性铂纳米团簇的方法降低铂使用量并提高发电特性，或者提高铂金反应效率。

近期，香港科技大学（HKUST）的科学家们研发出了一种新的氢燃料电池。据称，它不仅是迄今为止世界上最耐用的氢电池，而且更具有成本效益，为全球更广泛地应用绿色能源铺平了道路。该研究表明，原子分散的 Pt 和 Fe 单原子和 Pt-Fe 合金纳米粒子组成的复合电催化剂。其Pt质量活性是燃料电池中商业 Pt/C 的 3.7 倍。更重要的是，阴极低负载量Pt催化剂（0.015 mgPtcm-2）显示出出色的耐久性，100000 次循环后活性保持率为97%，并且在0.6 V电压下运行超200 h没有明显的电流下降。

但其实早在2018年，布朗大学的科学家就研发出了一种新的催化剂，基于铂和钴合金制成的纳米颗粒催化剂不仅比纯铂更便宜且效率更高，寿命更长，但是后续还没有进行商业化落地。