氫能源行業專題研究：氫催化劑，觸媒而起

（報告出品方/作者：國泰君安證券，陳磊、肖潔、鮑雁辛）

1。 催化劑應用於質子交換膜燃料電池/電解槽

質子交換膜燃料電池與質子交換膜電解槽中發生的反應為互逆反應，兩 者結構相似，均由膜電極（質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）和雙極 板構成。電化學反應發生在離聚物、擴散層和催化劑組成的三相交界處， 該反應可看作氣體吸附或解離的過程，催化材料吸附自由能不應過大 （或過小），否則會導致氫氣和氧氣解離困難（或吸附困難），理想的催 化材料位於“火山曲線”最大值附近。

質子交換膜燃料電池中，負極發生 HOR 反應 H2→2e-+2H（兩電子轉移， + 快速動力學過程），正極發生 ORR 反應 O2+4e-+4H+→2H2O（四電子轉 移，緩慢動力學過程）。根據“火山曲線”圖，Pt 催化劑具有最適宜的吸 附自由能，此時化學反應速率最大；由於正極 ORR 反應速率比負極 HOR 反應低 6 個數量級，因此總反應的反應速率取決於正極，正極催化劑用 量約是負極的 8 倍。

質子交換膜電解槽中，陰極發生 HER 反應 2H++2e-→H2（兩電子轉移， 快速動力學過程），陽極發生 OER 反應 2H2O→4H++O2+4e-（四電子轉 移，緩慢動力學過程）。與燃料電池催化劑類似，“火山曲線”峰值附近 的材料具有最佳催化活性。對於陰極 HER 反應，選用 Pt 作為催化劑； 對於陽極 OER 反應，IrO2 和 RuO2 都具有優異催化活性，但 RuO2 在酸性環境中容易被氧化溶解失活，穩定性較差，故選取 IrO2 作為催化劑。

1.1. 燃料電池催化劑：漿料配比和提純工藝決定催化劑效能

目前常用的燃料電池催化劑是 Pt/C催化劑、鉑合金催化劑。兩種催化劑 均採用貴金屬鉑作為基材，同時採用碳載體來提高貴金屬的比表面積， 提高反應活性。

Pt/C催化劑和鉑合金催化劑的製備原理相似，其核心均在於前驅體溶液 中漿料的配比、催化劑產品的洗滌乾燥。前者是從Pt前驅體溶液與載體 前驅體溶液

出發

，透過化學處理得到 Pt/C 催化劑；後者將含 Pt 前驅體 溶液與金屬 M（外加的非 Pt 金屬元素）前驅體溶液混合，透過還原、離 心乾燥等處理得到將金屬 M 與 Pt 複合。

除 Pt/C催化劑和鉑合金催化劑外，非貴金屬和非金屬催化劑是未來重 要發展方向。非貴金屬催化劑中，M-N-C 化合物具有可觀的催化活性、 成本低、壽命長、抗甲醇且環保，被認為是最具潛力的催化劑之一；非 金屬催化劑指各種雜原子摻雜的奈米碳材料，包括硼摻雜、氮摻雜、磷 摻雜等。由於催化活性和穩定性與 Pt 基催化劑仍存在較大差距，上述催 化劑仍處於實驗室階段，尚未實現產業化。

1.2. 電解槽催化劑：陽極用 Ir催化劑，陰極用 Pt 催化劑

電解槽陽極常用 IrO2 催化劑，陰極使用 Pt 基催化劑。對於 IrO2催化劑， 其製備工藝是將含 Ir 與聚合物的混合溶液均勻塗覆在導電基底上，透過 煅燒、等離子處理氧化含銥混合物、除去聚合物，即可製得 IrO2 催化劑； Pt 基催化劑的製備原理與燃料電池催化劑一致。

現有商業析氫催化劑 Pt 載量為 0。4~0。6 mg/cm2，將 Pt 與過渡金屬複合 （如 Pt/Pd、Pt/N 等）可降低貴金屬用量，並提高催化效能。析氧催化劑 IrO2 的貴金屬載量約為 1~2 mg/cm2，複合氧化物、合金類和載體支撐型 催化劑，以及使用過渡金屬氧化物作為載體（如 TiO2、Ta2O5、Nb 摻雜 的 TiO2、Sb 摻雜的 SnO2 等）也成為析氧催化劑的研究重點。

2。 燃料電池+電解槽：新闢氫催化劑百億市場

到 2030 年，氫催化劑市場空間在保守/中性/樂觀下分別為 294 億元、438 億元、586 億元；對貴金屬 Pt 的累計需求量為 18 噸/26 噸/36 噸（鉑年產 量 180 噸），對貴金屬 Ir 的累計需求量為 13 噸/19 噸/25 噸（銥年產量 7- 8 噸）。

2.1. 燃料電池催化劑：保守/中性/樂觀預期下，市場空間分別 為 60 億元/84 億元/120 億元

到 2030年，燃料電池催化劑市場空間在保守/中性/樂觀下分別為60億 元、84 億元、120 億元。預計到 2030 年，燃料電池系統成本將降至 700 元/kw（100kw 系統成本為 7 萬元），與柴油機 5 萬元（濰柴柴油機售價 5。13 萬元）、動力電池 7。8 萬元（寧德時代動力電池售價 784 元/kW）具 備一定抗衡性。參考新能源汽車降本速度和滲透率，在保守/中性/樂觀情

形

下，燃料電池汽車保有量將達到 50 萬輛/70 萬輛/100 萬輛。

2.2. 電解槽催化劑：保守/中性/樂觀預期下，市場空間分別為 234 億元/354 億元/466 億元

到 2030年，電解槽催化劑市場空間在保守/中性/樂觀下分別為234億元、 354 億元、466 億元。考慮工業及燃料電池汽車用氫需求，到 2030 年下 遊用氫需求預計將達 4790 萬噸，工業副產氫供氫 984 萬噸，其餘用氫由 灰氫（煤制氫、天然氣制氫）及電解水制氫提供；假設在保守中性/ /樂觀預期下，綠氫對灰氫（煤制氫、天然氣制氫）的替代率分別達到 10%/15%/20%，綠氫需求量的 30%由 PEM 電解水制氫滿足（PEM 電解 槽每年工作 2500h），對應 PEM 電解槽出貨量為 25GW/38GW/50GW。 在保守/中性/樂觀情形下，PEM 電解槽中的鉑催化劑市場空間為 13 億元 /19 億元/25 億元，銥催化劑市場空間為 221 億元/335 億元/441 億元。

3。 氫催化劑龍頭企業均以貴金屬為主線，衍生髮展出催化劑等涉足貴金屬應用的業務領域

在國內燃料電池和電解槽催化劑市場，以莊信萬豐、田中貴金屬、優美 科等為代表的外企廠商市佔率超過 90%。從發展歷程及業務構成看，其 主營業務均以貴金屬為主，衍生髮展出催化劑（包括汽車尾氣催化劑、 氫催化劑）、貴金屬提煉回收、工業氣體合成等需涉足貴金屬應用的業務 領域，氫催化劑業務在公司的整體營業收入的佔比極小。 國內企業中，貴研鉑業、中自科技在業務構成上與外企廠商具備一定相 似性，前者主營貴金屬業務，後者主營汽車尾氣催化劑，目前均已佈局 切入氫催化劑領域。另外，還包括一系列主營業務即為氫催化劑的國內 廠商，如濟平新能源、中科科創、氫電中科。

3.1. 莊信萬豐：以鉑族貴金屬為主線，重點發展清潔空氣、催 化劑技術、氫技術三項業務

莊信萬豐（Johnson Matthey）成立於 1817 年，總部位於英國倫敦。公司 最初從事貴金屬的純度測試業務，從一家小型試金公司逐漸發展成為全 球最大的鉑系金屬提純及分銷商，是致力於發展催化劑、貴金屬、活性 藥物成分等核心技術產品的專用化學品公司。

2022 年 5 月，公司對業務架構進行精簡調整。精簡前，公司包括空氣淨 化（Clean Air）、高效資源（Efficient Natural Resources）、健康（Health） 和新市場（New Markets）四大業務板塊，其中燃料電池位於新市場業務 下；由於電池材料（Battery Materials）和健康業務（Health）投入成本高、 回報低，公司退出了上述兩項業務。精簡後，公司以鉑族金屬（PGM Services）為主線，重點發展三項業務：清潔空氣（Clean Air）、催化劑 （Catalyst Technologies）、氫技術（Hydrogen Technologies）。

2021 年，公司營業收入合計 39。40 億英鎊（約合 318。95 億元人民幣）， 其中，清潔空氣業務為 24。57 億英鎊、高效自然資源業務為 10。41 億英 鎊、其他業務為 4。42 億英鎊；營業利潤合計 5。56 億英鎊（約合 45。01 億 元人民幣），其中，清潔空氣業務為 3。02 億英鎊，高效自然資源業務營 業利潤為 3。58 億英鎊，其他業務營業利潤為-1。04 億英鎊。

公司主要聚焦燃料電池催化劑，包括 Pt/C催化劑和鉑合金催化劑產品。 以 HiSPEC9100 型號為例，其呈黑色粉末狀，鉑含量為 55。5-58。5%，最 小金屬表面積 85 m2 /g；同時，莊信萬豐還提供不同解決方案的膜電極產 品，包括完全單元化的 MEA（附有 GDL 的 7 層）、5 層 MEA（不附有 GDL 的密封 MEA），和 3 層催化劑塗層膜（CCM）；2017-2022 年，公司 燃料電池業務（催化劑+膜電極）收入分別為 1900 萬英鎊、2700 萬英鎊、 3300 萬英鎊、4100 萬英鎊、2500 萬英鎊。此外，公司電解槽催化劑正實 現快速商業化，2022 年 4 月產生了首筆收入。

3.2. 優美科：以貴金屬為中心，形成催化劑、能源與表面技術、 回收三大業務板塊

優美科（Umicore）成立於 1805 年，總部位於比利時，專注於材料技術 和金屬回收。公司以貴金屬為中心，形成了 Catalysis（催化劑）、Energy & Surface Technologies（能源與表面技術）、Recycling（回收）三大業務 板塊；燃料電池催化劑業務歸屬於催化劑板塊。

公司自 1990年起致力於開發用於 PEM燃料電池和 PEM電解槽的催化 劑。2009 年，公司與韓國現代汽車簽訂聯合開發合同，為其提供PEM 燃料電池催化劑，到 2021 年超過 1 萬輛現代燃料電池汽車使用優美科的 催化劑；截至 2021 年，公司在燃料電池汽車催化劑市場份額達 40%； 2020 年，公司成立燃料電池和固定催化劑業務部門，負責燃料電池催化 劑業務。2021 年燃料電池催化劑的 EBITDA佔比＜5%，預計 2030 年將 實現貢獻＜30%。

目前，優美科共提供 7 種型號的氫催化劑產品，包括 5 種 Pt 催化劑、2 種 Ir 催化劑，適用於燃料電池和電解槽催化劑。2022 年 7 月，優美科宣 布在中國常熟投資建設大型燃料電池催化劑工廠，預計 2024 年底投產， 鞏固現有市場地位，並作為公司在德國和韓國開創性生產與研發設施的 補充。

3.3. 田中貴金屬：構建形成產業用、資產用和寶石用貴金屬循 環型業務

田中貴金屬集團成立於 1885 年，由田中控股株式會社（純粹控股公司）、 田中貴金屬工業株式會社、日本電鍍工程株式會社、田中電子工業株式 會社、田中貴金屬珠寶株式會社 5 家

主要

子公司組成。公司致力於產業 用（半導體、電子零部件、醫療等）貴金屬製品的製造和銷售，以及提 供作為寶石飾品及資產的貴金屬商品。2020 年，公司營業收入合計 14256 億日元（約 698。54 億元人民幣）；淨利潤合計 395 億日元（約19。36 億元人民幣）。

公司從 1985年開始燃料電池催化劑研究，1992年開發質子交換膜燃料電池用催化劑； 2013 年，田中成立 FC 催化劑開發中心，並於 2018 年 增設 FC 催化劑開發中心提高產能。目前，公司提供燃料電池用催化劑 包括鉑碳催化劑、鉑釕合金催化劑；在燃料電池催化劑市場，田中貴金 屬佔比超過 80%。

3.4. 中自科技：從汽車尾氣催化劑出發，拓展氫燃料電池電催 化劑量產落地

中自環保科技成立於 2005 年，是專注於環保催化劑的高新技術企業， 2021 年在科創板上市。公司目前的主要產品是應用於各類天然氣車、柴 油車、汽油車和摩托車尾氣處理的催化劑，並積極拓展氫燃料電池催化 劑和固態氧化物燃料電池。

2021年，公司營業收入合計 9。62億元，其中柴油車和天然氣車尾氣催化

劑

佔比最高，分別為 4。15 億元、2。19 億元。天然氣車業務營業收入同比 下降較多，主要系天然氣價格大幅上漲，下游天然氣銷量大幅下滑；同 時，柴油車國五產品衝量搶裝所致。

自 2020 年起，中自科技基於對貴金屬催化材料的技術積累，進軍氫燃料 電池領域。公司主要佈局氫燃料電池電催化劑、膜電極以及固態氧化物 燃料電池（SOFC/SOEC）電堆技術三方面業務，開發出 SEC 系列催化 劑，包括第一代 SEC100 鉑炭催化劑和第二代 SEC200 具有核殼結構的 低鉑催化劑，同時開發了 SME 系列膜電極產品。目前，公司鉑碳催化劑 產品相關的批次化生產裝置已經全部進場，即將完成除錯，待除錯完成 後將形成公斤級批次生產能力；合金催化劑中試裝置的設計產能預計將 達到≥200g/批次、≥50kg/年。

3.5. 貴研鉑業：立足貴金屬產業方向，形成貴金屬新材料製造、 貴金屬資源迴圈利用和貴金屬供給服務三大板塊

貴研鉑業成立於 2000 年，由昆明貴金屬研究所發起設立，2003 年登陸 上交所主機板。公司立足貴金屬產業方向，已建立形成貴金屬新材料製造、 貴金屬資源迴圈利用和貴金屬供給服務三大核心業務板塊。

2021 年，公司營業收入合計 363。51億元，歸母淨利潤合計 3。87億元。 從營業收入佔比看，貴金屬新材料製作和貴金屬供給服務分別達到45%、 41%；從毛利率看，2021 年公司主營業務毛利率僅為 3%，主要系公司所 處的貴金屬行業和主要收取加工費的經營模式所決定；各業務收入中， 貴金屬價值佔比較高，導致計算得到的毛利率水平較低。

在燃料電池催化劑方面，公司 2014 年與上汽集團簽署燃料電池催化劑 合作協議，共同推進燃料電池催化劑的研發工作；2022 年 6 月，全資子 公司貴研新材料與億華通簽訂戰略合作協議，在燃料電池催化劑產品研 究開發及鉑資源回收等領域積極尋求合作機會。目前，公司燃料電池催 化劑相關產品仍處於實驗室階段。

4。 關注催化劑的潛在競爭者：膜電極的上游一體化

從製備流程來看，膜電極僅比催化劑多了一道塗覆工藝。膜電極元件是 燃料電池的核心部件，主要由質子交換膜、催化劑、邊框和氣體擴散層 組成，製備原理是將催化劑漿料擔載到質子交換膜表面，透過熱壓或粘 結等方式將各部件複合，常用的製備方法有轉印法、電噴霧法、電沉積 法和超聲噴塗法。

膜電極廠商莊信萬豐主要利用的是轉印法，其工作原理是將催化劑漿料 塗覆到轉印基質上，烘乾排出溶劑，熱壓將催化層轉移到質子交換膜， 最後將轉印基質移除完成膜電極的製備。

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關資訊，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】。