氫燃料電池在汽車領(lǐng)域具有綜合能效高、環(huán)境友好、高可靠、啟動迅速等特性，也因此氫燃料電池在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍。氫燃料電池的催化材料是氫燃料電池結(jié)構(gòu)中的核心材料部件，是電池正常、高效的運行保障。隨著當前環(huán)境污染壓力的不斷上升，社會對大規(guī)模使用清潔新能源的需求更加迫切，也因此對氫燃料電池催化材料的成本、催化活性、催化穩(wěn)定性提出了更加嚴格的要求。

1.氫燃料電池行業(yè)發(fā)展分析

燃料電池的種類相當多，目前市場上主要有堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)。這些不同種類的燃料電池輸出功率范圍、發(fā)電效率、優(yōu)缺點、應(yīng)用領(lǐng)域都不盡相同。目前主流用于汽車的燃料電池是氫燃料電池，氫燃料電池是一種能夠?qū)Υ嬖谌剂希錃猓┖脱趸瘎諝庵械难鯕猓┲械幕瘜W能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其基本工作原理就是電解水的逆過程，而目前在氫燃料電池中以質(zhì)子交換膜燃料電池居多，這主要是因為其在電動汽車、固定發(fā)電站領(lǐng)域具有廣闊的大規(guī)模應(yīng)用的前景。

整體燃料電池出貨量從2009-2013年大幅上升，2013年以后整體出貨量的趨勢穩(wěn)重有升。另外，可以看到氫燃料電池PEMC從2014-2018年整體趨勢略有降低，但目前占有率仍然很高（高于50%）。值得注意的是SOFC電池的出貨量這幾年增加也較為明顯，這主要是由于SOFC在亞太地區(qū)尤其是在日本小型高效率發(fā)電系統(tǒng)ENE-FARM的家用燃料電池正在快速普及和發(fā)展。

發(fā)電容量急劇上升，僅2018年全球燃料電池出貨量已經(jīng)約為800MW，而PEMFC電池的發(fā)電量達到589.1MW，明顯占據(jù)主導地位，占比達到73.35%。由此可見，質(zhì)子交換膜型氫燃料電池無論是電池數(shù)量還是發(fā)電容量上看都是主流的燃料電池技術(shù)，2015年以來PEMFC出貨量（以瓦數(shù)計）的暴增一方面得益于豐田（功率114kw）和現(xiàn)代（功率110kw）等燃料電池車的產(chǎn)量增長；另一方面是因為日本和歐洲等地的小型熱電聯(lián)產(chǎn)項目持續(xù)增加，在這方面，日本和加拿大的企業(yè)占據(jù)主要市場。此外，中國最近幾年也大力支持PEMFC電動汽車的發(fā)展。

2015年，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，提出了燃料電池汽車的戰(zhàn)略目標及研究方向。目標到2020年，我國逐步實現(xiàn)關(guān)鍵材料和零部件國產(chǎn)化、燃料電池堆和整車性能提升、燃料電池汽車運行規(guī)模擴大。通過對關(guān)鍵材料、電池堆系統(tǒng)及通用化技術(shù)等重點領(lǐng)域的研究，到2020年實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2025年完成商業(yè)化產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，并實現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運行。梳理過往政策則不難發(fā)現(xiàn)，政府對于燃料電池的政策傾斜正在加大。尤其是2018年的補貼政策，進一步提升了電動車鋰電池能量密度的補貼門檻要求，而對燃料電池車的補貼力度則保持不變。另外，2016年10月，《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書（2016）》，2020年，加氫站100座，燃料電池汽車10000輛；2030年加氫站1000座，燃料電池車輛200萬輛；2050年加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，燃料電池車輛1000萬輛，可見目前國家政策也是極力推進氫燃料電池的商業(yè)化和大規(guī)模使用。2019年3月26日四部委發(fā)布《關(guān)于進一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》，其中提到地方應(yīng)“支持充電(加氫)基礎(chǔ)設(shè)施‘短板’建設(shè)”。今年的《政府工作報告》也提及穩(wěn)定汽車消費，推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。可見，發(fā)展氫能源汽車已經(jīng)得到中國政府相當程度的重視。

氫燃料電池上游包含電池組件和氫能兩大類，氫能產(chǎn)業(yè)鏈有三大環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有很高的技術(shù)壁壘和技術(shù)難點，目前上游的電解水制氫技術(shù)、中游的化學儲氫技術(shù)和下游的燃料電池在車輛和分布式發(fā)電中的應(yīng)用被廣泛看好；電池組件包括燃料電池電堆、空壓機、水泵、氫泵、儲氫器、加濕器等。產(chǎn)業(yè)鏈中游是燃料電池系統(tǒng)的組裝部分。產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用主要有固定發(fā)電、交通運輸、便攜式電子以及包含特種、航天在內(nèi)的特殊領(lǐng)域。

2.氫燃料電池關(guān)鍵材料—催化劑

燃料電池核心系統(tǒng)是電堆，其成本占整個燃料系統(tǒng)的60%。如果說電堆是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的決定因素，那么催化劑和質(zhì)子交換膜就是整個氫燃料電池行業(yè)的命脈。2017年，中國一共生產(chǎn)了1272輛燃料電池商用車，催化劑和質(zhì)子交換膜基本全部依托進口。因而，催化劑和質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化是氫燃料電池發(fā)展的亟需解決的核心材料問題。氫燃料電池電堆系統(tǒng)主要由催化劑、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜等組成。圖3是氫燃料電池電堆成本構(gòu)成，其中催化劑所占電堆成本比例最高，這主要是當前商業(yè)化催化劑的種類限制所致。催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。由于PEMFC工作溫度不足100oC，對催化劑活性要求很高，而鉑(Pt)催化劑具有良好的分子吸附、離解特性，因此鉑催化劑成為最理想、也是當前唯一商業(yè)化的催化劑材料。鉑金屬價格昂貴，我國的儲存量也非常短缺。

Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過燃料電池衰減機制分析可知，燃料電池在車輛運行工況下，催化劑會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生Pt納米顆粒的團聚、遷移、流失等。這些問題都是制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，針對這些成本和耐久性問題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點問題之一。目前，已經(jīng)研發(fā)出的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。

鉑基催化劑材料在質(zhì)子交換膜燃料電池的催化層中Pt載量一般為：陽極0.3mg/cm2、陰極0.4mg/cm2，每輛燃料電池乘用車需要Pt約50g，大巴需要約100g。Pt昂貴的價格對于燃料電池大規(guī)模商業(yè)化是個極大的阻礙。因此，研發(fā)低鉑和非鉑系催化劑是目前研究重點。在低鉑系催化劑方面，核殼類催化劑和納米結(jié)構(gòu)催化劑是研究熱點，主要原理是利用結(jié)構(gòu)化修飾得到具有特殊形貌和晶面的優(yōu)化分布的材料，使其具有更優(yōu)異的性能。核殼類催化劑以催化劑活性組分作為殼，以過渡金屬元素作為核，具有很高的貴金屬利用率和氧還原催化活性。納米結(jié)構(gòu)催化劑在氧還原反應(yīng)活性方面也較傳統(tǒng)Pt催化劑高出50%。Pt單原子殼層核殼催化劑尤其能最大限度地提高Pt催化劑的利用率。因此催化劑的特殊納米結(jié)構(gòu)化是燃料電池低鉑載量的重要研發(fā)方向。非鉑系催化劑的研究重點在三塊：鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑。鈀基催化劑使用金屬鈀(Pd)代替Pt，Pd具有儲量豐富、價格便宜的優(yōu)點。但Pd基催化劑的催化活性遠不及Pt基催化劑，需要通過調(diào)節(jié)表面電子結(jié)構(gòu)來獲得與Pt基催化劑相當?shù)拇呋钚浴Ｔ诒姸喾琴F金屬催化劑中，過渡金屬-氮-碳化合物因其具有可觀的催化活性。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。碳材料摻雜后能明顯提升氧還原催化活性，但催化劑的穩(wěn)定性較Pt基催化劑仍有較大差距。非鉑催化劑真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要解決高活性、高穩(wěn)定性的問題。因此，對于開發(fā)廉價、高效、可產(chǎn)業(yè)化的催化劑仍然具有非常高的挑戰(zhàn)性。

2017年1月，大連理工大學宋玉江教授團隊將分子自組裝技術(shù)與高溫熱解方法結(jié)合制備出一種非貴金屬電催化劑，有效提高了燃料電池電催化劑的耐久性。2017年7月，上海交通大學章俊良教授課題組成功制備出具有單分散性的球形高活性PdxNi1-x@Pt/C核殼納米催化劑，在不損失燃料電池壽命的前提下，可大幅降低燃料電池的鉑用量。2017年7月，中國科學技術(shù)大學曾杰教授課題組與合作者共同設(shè)計出一種直徑僅有1.3納米的、銠原子摻雜的超細納米線鉑催化劑，鉑原子的利用率達到48.6%。研究表明，該催化劑質(zhì)量活性和比活性分別達到了商業(yè)鉑碳催化劑的7.8倍和5.4倍。同時，該催化劑在循環(huán)使用1萬次后，僅損失了9.2%的質(zhì)量活性。2018年4月，武漢喜瑪拉雅光電采用清華大學催化劑制備工藝自主研發(fā)的燃料電池Pt/C催化劑量產(chǎn)技術(shù)取得突破。2018年6月，北京大學工學院郭少軍團隊開發(fā)了一種新型啞鈴狀的PtFe-Fe2C納米粒子。該催化劑在酸性介質(zhì)中的氧還原的比活性和質(zhì)量活性分別達到了353mA/cm2和1.50A/mg，比商業(yè)鉑碳催化劑分別高出11.8倍和7.1倍，且具有極為優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性，經(jīng)歷5000個循環(huán)，催化劑的活性幾乎沒有衰減。最新2019年1月31日《自然》研究報道，中國科學技術(shù)大學，研制出一種新型催化劑，攻克了新能源汽車氫燃料電池汽車推廣應(yīng)用的關(guān)鍵難題：解除氫燃料電池一氧化碳“中毒休克”危機，延長電池壽命，拓寬電池使用溫度環(huán)境，在寒冬也能正常啟動。這些關(guān)鍵性的研究成果具有里程碑意義，表明中國正在加快掌握燃料電池催化劑材料產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，逐步打破國外長期的技術(shù)封鎖。

3.氫燃料電池催化材料專利及國內(nèi)外重點公司分析

從圖5可以看到2002-2018年氫燃料電池催化材料相關(guān)專利申請數(shù)量變化，可以看到從2015年開始氫燃料電池催化材料相關(guān)專利申請數(shù)量明顯上升，主要由于國家對氫燃料電池提出技術(shù)創(chuàng)新、突破的政策導向使得對氫燃料電池催化材料的研究和開發(fā)引起高校、研究院所及新能源型企業(yè)的極大關(guān)注。另外，隨著我國對于知識產(chǎn)權(quán)的重視，企業(yè)也越來越意識到核心技術(shù)需要專利的保護，因此，對于專利的申請也更加積極。從圖6可以看出近年來氫燃料電池催化劑材料相關(guān)專利主要單位、企業(yè)的申請專利數(shù)量。專利申請主要有公司企業(yè)和高校，基本是新能源相關(guān)企業(yè)，高校也有相關(guān)專業(yè)的研究團隊。據(jù)此，表明氫燃料電池催化材料技術(shù)在穩(wěn)定推進和發(fā)展。催化技術(shù)的革新、保護，這也是為逐步實現(xiàn)清潔氫燃料能源大規(guī)模使用的重要的一步。

目前，國外氫燃料電池Pt催化劑材料領(lǐng)軍企業(yè)主要生產(chǎn)廠家包括美國Gore、JohnsonMatthery、田中貴金屬等。Gore是生產(chǎn)質(zhì)子交換膜和膜電極各組件的企業(yè)，催化劑僅占業(yè)務(wù)的一部分。相比而言，JohnsonMatthery和田中貴金屬是更為專業(yè)的燃料電池催化劑生產(chǎn)商。田中貴金屬針對燃料電池車，開發(fā)了性能與耐久度更為優(yōu)異的電極催化劑，被應(yīng)用于本田新型燃料電池車Clarity。JohnsonMatthery自90年代就開始研究燃料電池及各部件，2000年成立了燃料電池材料公司JohnsonMattheyFuelCellsLtd，并與全球最大的鉑供應(yīng)商AngloPlatinum建立了長期合作關(guān)系。JohnsonMatthey的催化劑產(chǎn)品類型多樣，包括純鉑、合金、含有和不含催化劑載體。

國內(nèi)貴研鉑業(yè)、新源動力和武漢理工新能源都從事了燃料電池催化劑的研發(fā)。其中，新源動力和武漢理工新能源的主要研究方向分別為電堆和膜電極，催化劑生產(chǎn)的比重較小，類似于美國Gore。而貴研鉑業(yè)近年來將研究重心放在貴金屬工業(yè)催化劑。此外，目前國內(nèi)的武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司在清華大學技術(shù)支持下也能日產(chǎn)200g的Pt/C燃料電池催化劑材料。當前，氫燃料電池核心催化材料已取得一定研究成效，而大批量的生產(chǎn)和回收技術(shù)仍然有待創(chuàng)新和提升。在國家政策大力支持下，國內(nèi)研究機構(gòu)、企業(yè)制備高效氫燃料電池催化劑之路仍然充滿了挑戰(zhàn)和機遇。