氫能與燃料電池催化劑

中國《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》與主要國家和地區氫能戰略共同特征：重視氫能相關技術研發；注重對氫能基礎設施建設與氫能應用領域擴展；重視可再生能源制氫。但側重點又有所不同，我國《規劃》強調對氫能源全產業鏈構建。到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體產業布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應用，有力支撐碳達峰目標實現；到2035年，形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。

一、氫能產業鏈梳理

上游：

    制氫：化學制氫（煤制氫、天然氣）、工業副產（焦爐煤氣、氯堿副產）、電解水制氫(未來主流，目前在生產運行成本與設備投資成本上均較為昂貴。以目前的電解水平，當可再生能源電價降至0.2元/kWh時，電解水制氫成本將接近于化石原來制氫成本)。

    上市公司如寶豐能源：投資14億全球最大光伏制氫，以及新建2萬Nm3/h堿性電解槽電解水制氫1.6億Nm3/年，美錦能源（焦爐煤制氫）。

    其中制氫設備方面，電解槽是制備綠氫的關鍵設備。電解槽技術路線、性能、成本是影響綠氫市場走勢的重要因素，目前質子交換膜（PEM）電解水和堿性電解水技術目前已經商業化推廣的條件，未來具備較強的商業價值，根據預測后者更具有較大市場空間。

    堿性電解槽成本較低，經濟性較好，我國堿性電解水制氫代表企業有中船重工718所、考克利爾競立、天津市大陸制氫設備有限公司等，近期陽光電源、協鑫集團等光伏企業也紛紛布局堿性電解水制氫設備項目。

    隨著可再生能源制氫項目的增多，PEM電解水制氫進展迅速，國內聚焦PEM制氫設備的公司及科研機構主要有中國船舶718所、中科院大化所、山東賽克賽斯、高成綠能、淳華氫能、深圳綠航等。

圖1：PEM電解水制氫（來源《PEM:最具潛力的電解水制氫技術》）

中游：氫儲運、氫加注

    氣體儲氫瓶（短距離小規模、管道長距離大規模,高壓氣態成font熟）、液態儲氫(距離遠、運輸大），固態儲氫(化學、物理吸附，技術復雜)，液氫關鍵技術與設備（國產化）、加氫站建設運營。

    加氫站：一座35MP、日加氫500kg的固定式加氫站的平均投資在1500萬元左右。

圖2：中石化加氫站

    上市公司如：雪人股份（加氫站及設備）、厚普股份（加氫站批量交付）及京城股份（車載儲氫瓶）

下游：燃料電池動力系統

    燃料電池電堆成本占據燃料電池系統成本60%以上，因此降低電堆成本是燃料電池汽車商業化的關鍵。經過估算，燃料電池電堆主要由催化劑（36%）、質子交換膜（16%）、氣體擴散層（12%）、雙極板（23%），以及其他結構件如密封件、端板和集流板等組成。

圖3：電堆構成

    膜電極關鍵材料—質子交換膜：國外膜電極供應商及豐田、本田等乘用車企業都已具備膜電極批量自動化生產線，單線年產能在數千平方米到萬平方米級。國內質子交換膜主要企業包括鴻基創能、捷氫科技(燃料電池電堆及系統龍頭公司)等。

    膜電極關鍵材料—催化劑：在燃料電池中，催化劑起到分解氫氣和氧氣進行電化學反應產生電流的作用。目前商用催化劑為鉑碳催化劑，鉑是昂貴的稀有金屬，因此低鉑和非鉑催化劑的開發成為降低燃料電池成本的關鍵。催化劑相關企業主要有貴研鉑業、中自科技。

    膜電極關鍵材料—氣體擴散層：氣體擴散層（GDL）由碳紙和防水劑聚四氟乙烯材料構成，起到支撐膜電極、收集電流、傳導氣體、管控反應水（氣）及熱等重要作用。國外有日本東麗（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德國西格里（SGL）和科德寶（Feudenberg）、美國AvCarb，韓國JNTG等，都已實現氣體擴散 層的規模化生產，且都有多款適應不同應用場景的產品銷售。國內知名的氣體擴散層企業主要有臺灣碳能、通用氫能、江蘇氫電、江蘇清能、上海河森電氣等。

    空氣循環系統—空壓機：相對于其它輔助系統產品，空壓機目前國產化率已接近100%。國內外空壓機企業主要有雪人股份、金通靈、金士頓科技等。

    氫氣供給系統：2020年我國氫循環系統市場逐步實現國產替代，但出貨量減少和氫循環泵價格下降，導致2020年國內氫循環系統市場規模預計為0.41億元，同比下降63%。氫氣循環泵企業主要有東德實業、艾爾科技、雪人股份（核心零部件空壓機、氫氣循環泵，液氫、加氫設備技術）等。

    車載儲氫瓶：高壓氣態儲氫容器要求具有高安全性、輕量化和高儲氫密度。從35MPa向70MPa、從Ⅲ型瓶向Ⅳ型瓶、從常溫向低溫和從小容積向大容積，是未來車載儲氫系統的發展方向。中材科技（1-2萬只35Mpa高壓儲氫瓶）、中集安瑞科、 京城股份、亞普股份（35MPa車載儲氫、70MPa小容積車載儲氫）、科泰克都在布局IV型瓶項目。

圖4：中材科技車載儲氫瓶

二、燃料電池催化劑

（一）氫燃料電池電催化劑則是電堆的核心部件

    氫燃料電池電堆是氫燃料電池汽車發動機的核心部件，氫燃料電池電催化劑則是電堆的核心部件，主要由碳載體和鉑或鉑合金組成，起到催化電池內化學反應的作用。在燃料電池堆中除了雙極板已基本實現國產化，膜電極（MEA）中的碳紙（氣體擴散層）、催化劑和質子交換膜基本依賴進口。

    燃料電池催化劑的種類主要有鉑基催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑三類。

圖5：金屬鉑

圖6：貴研鉑業金屬鉑

  凱立新材：

    專利顯示公司在氫能領域實現了技術再突破，公司有能力開發一種保證活性的同時性能更穩定的質子交換膜燃料電池用催化劑。

圖7:凱立新材鉑系列催化劑

    22年5月公司表示，氫燃料電池用催化劑尚處于中試放大，部分型號可批量試產階段，尚未進入市場推廣階段。

  中自科技：

1.公司介紹

    中自環保創立于05年，12年在科創板上市，是一家專注于環保催化劑的研發、生產和銷售的高新技術企業，是我國移動污染源（機動車、非道路機械、船舶等）尾氣處理催化劑領域的少數主要國產廠商之一，并積極探索其技術在氫燃料電池電催化劑等新能源領域的應用。

    公司主要業務天然氣、柴油車相關產品，其增長點在于進入國六階段，因排放限值大幅降低，單車催化劑用量大幅增長，催化劑產品中貴金屬的用量亦明顯增長。但業績方面，公司一季度大幅下滑，主要因為天然氣、石油價格大幅上漲，而公司天然氣車產品、柴油車產品基本配套于商用車，因此公司收入也受上述不利因素影響而大幅下降。2019-2020年，公司在天然氣車催化劑銷量分別為3.76萬套 、7.87萬套，在天然氣重卡領域市場占有率分別為30.55%、48.55%；公司柴油車催化劑銷量分別為14.91萬套、22.20萬套，市場占有率分別為5.11%、6.27%；公司汽油車催化劑銷量分別為1.91萬套、3.01萬套，在商用汽油車市場的占有率分別為1.52%、2.14%。

圖8:PEMFC首席科學家-周衛江

2.中自科技燃料電池催化劑

    公司作為氫能源燃料電池催化劑第一股，早已前瞻性布局了氫燃料電池電催化劑、膜電極，固態氧化物燃料電池(SOFC/SOEC)等新能源領域并已成功研制出第一代鉑碳催化劑。

    中自科技曾主持或參與尾氣處理催化劑和氫燃料電池電催化劑相關的國家高技術研究發展計劃（“863計劃”）；是首家進入國際氫能委員會的國內催化劑企業，正參與國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項中的“高性能抗中毒車用燃料電池催化劑的合成技術與批量制備”（可進一步提升產品的活性、耐久性等性能，主要成份為鉑金、碳載體和引入的過渡金屬元素）。

    根據中自催化招股說明書中對當前行業形勢作出分析：氫燃料電池電堆是氫燃料電池汽車發動機的核心部件，氫燃料電池電催化劑則是電堆的核心部件，主要由碳載體和鉑或鉑合金組成，起到催化電池內化學反應的作用。根據美國能源部測算，當氫燃料電池電堆年出貨量50萬臺時，電催化劑成本將占電堆生產成本的 41%，顯著高于電堆的其他部件。目前我國氫燃料電池電催化劑主要依賴進口，莊信萬豐和日本田中貴金屬等外國環保催化劑廠商的技術和產品優勢顯著。

3.公司動態

     （1）21年6月，中自催化去年募資6400萬用于燃料電池關鍵材料研發

    公司投入氫能源燃料電池關鍵材料的研發能力建設，主要投入氫燃料電池電催化劑、膜電極、集成系統的小試制備工藝的開發，并擬升級改造公司現有廠房作為小試潔凈車間，另擬使用新建研發樓的局部區域作為研發場所，本項目投資總額為6,400.47萬元。本項目通過引進先進研發、檢測設備、構建先進實驗環境，提升公司在氫燃料電池電催化劑及膜電極組件的整體研發能力，拓展公司的產品種類，進一步鞏固并擴大公司在環保催化劑領域的產業地位，推動公司產品技術實現可持續發展，加快科研成果與產業的深度融合。

    募集資金運用與公司主營業務、核心技術之間的關系本項目將以公司現有貴金屬高分散、高穩定技術等核心技術為基礎，以燃料電池用電催化劑的開發、燃料電池用膜電極組件的開發、電解水制氫用催化劑的開發等為研發方向，最終亦將服務應用于氫燃料電池機動車行業。綜上所述，該項目系公司基于目前主營業務與核心技術的延伸和擴展。本項目總投資 6,400.47萬元，全部為建設投資資金，無鋪底流動資金，無建設期利息。

    （2）今年7月據媒體報道，中自科技燃料電池催化劑生產線近日驗收，該生產線的建成標志著公司正式具備燃料電池催化劑連續工業化的生產技術能力。

    同時，對公司參與的“十三五”國家重點研發計劃“高性能/抗中毒車用燃料電池催化劑的合成技術與批量制備”中合金催化劑批量生產能力的實現，具有較好的實踐意義。公司前期已完成百克級的產品工藝優化及定型，可實現鉑碳電催化劑公斤級放大生產，同時公司將完成固態氧化物燃料電池(SOFC)單電池中試生產線的建設，后續公司將根據客戶反饋意見，通過工藝優化、材料改良等措施，進一步縮短生產時間，提高產能，降低催化劑成本，提高電催化劑耐久性。

    （3）調研紀要（7月）：公司目前在氫燃料電池電催化劑和固態氧化物燃料電池方面的研發進展和目前技術水平如何？

    答：氫燃料電池電催化劑：目前鉑碳催化劑產品相關的批量化生產設備已經全部進場，即將完成調試，待調試完成后將形成公斤級批量生產能力。公司已完成向多個國內外主流氫燃料電池生產商進行送樣，并在耐久測試中表現出了較好的性能與競爭力，得到了相關下游廠商的初步認可。另外公司承擔的國家重點研發計劃“高性能/抗中毒車用燃料電池催化劑的合成技術與批量制備”的子課題“催化劑工業化量產”目前正按計劃推進，在合金催化劑技術方案論證及工藝參數優化方面滿足項目設計目標；固態氧化物燃料電池：目前進行到10cm×10cm的單電池制備優化階段，預計2022年底將完成固態氧化物燃料電池單電池中試生產線的建設，并形成千瓦級電堆組裝技術。

    （4）產品SEC系列催化劑

    中自環保承擔“十三五”“可再生能源與氫能技術”國家重點研發計劃項目。自2020年11月起，中自環保承擔為期3年的國家重點研發計劃——“高性能/抗中毒車用燃料電池催化劑的合成技術與批量制備”。其中，中自環保承擔課題四“催化劑工業化量產和工況驗證的研發和組織管理工作”，其課題考核指標如下：

A：實現催化劑單批次產量兩公斤級；產能達到≥2000g/批次和≥200kg/年生產線；

B:催化劑性能完全達到終期指標：

    初始ORR的MA≥0.4A/mgPt@0.9VIR-free，ECSA≥ 60m2/g；

    耐久性①0.6V~0.95V≥ 3萬次循環MA衰減率≤40%、ECSA衰減率≤40%，

    耐久性②1.0V~1.5V≥ 5000次循環MA衰減率≤40%、ECSA衰減率≤40%；

    抗中毒能力：

   a.CO導致的量產催化劑質量活性衰減≤30%（0.1M HClO4 1000 ppm CO/H2）；b.硫化物導致的量產催化劑活性面積衰減 ≤ 30%（0.36 ppm H2S，24h）；粒徑及性能偏差≤ ±8%，Cl- 含量小于50 ppm wt，Fe含量小于50 ppm wt。

    目前該項目合金催化劑產能：根據7月調研在小批量產方面已經完成 1g→10g/批次→100g/批次優化放大，且放大前后催化劑的物性結構保持一致，催化活性無明顯降低，批次內和批次間的一致性較穩定，預計中試設備的設計產能可以達到≥200g/批次、≥50kg/年。公司目標將在2022年形成百克級中試生產能力，2023年形成公斤級的批量生產能力。

   SEC系列催化劑是中自氫能自主開發的產品，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。SEC系列催化劑的合成過程有嚴密精確的控制，金屬粒子在炭載體上均勻分布，貴金屬含量公差≤士1%。

    關于鉑碳催化劑，采用石墨化程度較高的碳載體材料，既可以保障鉑基納米粒子的分散度，又能在一定程度上提高提升催化劑的耐久性。

    當前產能：公司鉑碳電催化劑生產線已于7月初建成并通過驗收，已具備1.5kg/批次，500kg/年的產能，目前正開展驗證優化工作。

（5）產品進展

    根據公司反應，公司的燃料電池催化劑正處于產品送樣、驗證評測階段。目前公司在根據客戶反饋意見，通過工藝優化、材料改良等措施，降低催化劑成本，提高電催化劑耐久性，進一步縮短生產時間，提高產能。

    公司當前已完成向多個國內外主流氫燃料電池生產商進行送樣，并在耐久測試中表現出了較好的性能與競爭力，得到了相關下游廠商的初步認可。目前正開展驗證評測，待驗證評測通過之后才開展裝車。

（6）最新商業應用

    7月28日根據投資者互動平臺得知，公司獲得獨家長安深藍增程版動力車型催化劑獨家定點供應商。

    以下為全部內容：關于長安深藍SL03的催化劑總成獨家定點的信息，公司在2022年第一季度報告中披露信息如下“公司控股子公司成都中自光明催化科技有限公司于近日收到重慶長安汽車股份有限公司通過專用系統發來的通知，中自光明通過競標成功獲得重慶長安部分車型的催化劑產品定點通知函，包括C385-EVE、P201MCA1汽油項目、MDS201-ICA1、F202MCA車型1.5T國六RDE等重點項目。”C385為長安汽車新能源品牌“深藍”的首款車型，后正式定名為SL03，是一款支持多種補能形式的中型轎車。新車基于長安深藍EPA1電驅動專用平臺打造，將提供純電版、增程版和氫燃料電池版三種動力車型。公司獲得的是其增程版的催化劑獨家定點，目前已獲得公告并實現小批量供貨。目前也正在配套測試理想汽車的增程式車型。

圖11:長安汽車深藍C385

  龍蟠科技

    2019年起，龍蟠陸續與中科院大連化物所、合肥工業大學、安徽明天氫能等開展合作，推動燃料電池產品研發生產。2020年，龍蟠科技旗下專注于氫能及燃料電池領域的子公司龍蟠氫能源成立。

    龍蟠氫能源自研燃料電池部件，助力國產自主可控和規模化提速過程。近年來，我國燃料電池系統國產化率上升至70%，系統集成、雙極板技術、電堆、膜電極等核心部件自主可控率大幅提升。龍蟠氫能源研發的燃料電池催化劑、儲氫瓶、去離子器等產品作為產業鏈重要環節，將推動燃料電池國產化率進一步提升。

    燃料電池催化劑，包括鉑催化劑、低鉑催化劑Pt/C、PtNi/C、PtCo/C等，具有活性組分粒徑小、分布均勻，電化學活性高、壽命長、產品一致性高等優勢特征。可廣泛應用于各類氫燃料電池陽極和陰極，并可為客戶特殊定制不同鉑載量的催化劑。

圖12:龍蟠科技燃料電池催化劑產品

三、結論

    （一）氫能源被稱為終極能源，國內氫能源應用還屬于早期階段。

    （二）在產業鏈中，需要攻克的關鍵點在于燃料電池動力系統，其中氫燃料電池電堆是氫燃料電池汽車發動機的核心部件，燃料電池電堆主要由催化劑（36%）、質子交換膜（16%）、氣體擴散層（12%）、雙極板（23%）構成，從以上構成我們可以看出氫燃料電池電催化劑又是電堆的核心部分。

    （三）根據價值量，重點關注的燃料電池催化劑相關企業為中自科技、貴研鉑業、凱立新材。當前國內催化劑主要依賴進口，尚未實現可規模化生產、性能優異且穩定的產業化應用。

    （四）中自科技與凱立新材，前者生產線已建成并通過驗收，后者處于生產線調試階段，但均尚未進入市場推廣。貴研鉑業是國內金屬鉑主要生產商，是催化劑中的貴金屬鉑主要供應商，無論是鉑系還是低鉑催化劑都需要用到該金屬，因此稱為底層受益較明確的公司。另外高性能、低貴金屬用量的燃料電池電催化劑是當前我國氫能燃料電池汽車需重點攻克的關鍵瓶頸技術，根據產品來看中自科技當前擁有低鉑類催化劑產品較為突出，進度上也較快，有望率先受益。

君研資本是一家綜合性資產管理公司，公司堅持以私募股權基金為核心業務、以私募證券和不動產受托資產管理為兩翼的“一體兩翼”發展戰略。旗下涵蓋以韓元資本為主體的私募股權基金投資，以君研投資為主體的私募證券基金投資和以睿伯咨詢為主體的不動產資產運營等三大業務板塊。公司以“創造價值，了解市場、服務LP"為核心理念，始終秉承”客戶利益至上、合規經營、風控至上、合伙人文化“的原則，以賦能型投后管理作為核心競爭力，在行業和經營周期上堅持逆向投資策略，以專業的投資管理能力追求客戶資產長期穩定的持續增值，致力于將社會資金轉化為金融資本服務實體經濟。