本文轉載來源:“未來智庫”
氫能有望開啟鉑族金屬第二成長曲線
【資料圖】
碳中和碳達峰的背景下，氫能正越來越受到重視。氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、 靈活高效、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能 源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是實現(xiàn)交通運輸、工業(yè)和建筑等領域大規(guī)模深度脫碳的最 佳選擇。根據(jù)國際氫能理事會統(tǒng)計，包括歐盟在內，全球范圍內已制定 30 余個氫能戰(zhàn)略， 此外還有 6 個尚在起草階段。
根據(jù)中信證券研究部氫能組預測，2025/2030 年全球氫氣需求量或達 1.2/1.8 億噸。 根據(jù)國際氫能理事會的數(shù)據(jù)，2020 年氫氣總產量只有約 10 艾焦耳，且?guī)缀跞縼碓从趥?統(tǒng)化石能源，主要被用于化肥與石油精煉等工業(yè)中的原料。在 2040 年以前，清潔能源的 應用有望快速增加，帶動氫氣總產量的急劇提升。鉑族金屬是電解水制氫與氫燃料電池的 催化劑重要組成部分，未來將在能源轉型中扮演重要的角色。
制氫：綠氫替代勢在必行，電解水制氫發(fā)展提振鉑族金屬需求
綠氫是脫碳行動中最具有吸引力的生產氫氣的方式。綠氫是通過電解水產生的氫氣， 過程中的副產物只有氧氣。嚴格而言，只有當電解水所采用的電能來源于可再生能源時， 產生的氫氣才被稱為“綠氫”。當前市場上有三種主要的可商業(yè)化的電解水技術：堿性電 解技術、質子交換膜電解技術和固體氧化物電解技術?；谔沾刹牧系墓腆w氧化物電解水 技術還處于商業(yè)化的較早期階段，且工作溫度與另外兩種技術不同，因此不作深入分析。目前堿性電解水和PEM電解水制氫成本的經濟性與化石能源制氫、工業(yè)副產氫相差較遠， 未來受益于可再生能源發(fā)電成本的降低，以及隨著技術迭代和規(guī)模增長帶來的設備成本降 低，綠氫成本有望進一步降低。
綠氫制備核心，電解槽發(fā)展正當時。電解槽是電解反應發(fā)生的主要場所，也是制氫工 藝的核心。目前電解槽市場正迎來發(fā)展窗口期，2022 年 9 月 21 日，由中國氫能聯(lián)盟研究 院發(fā)起起草的國內首個電解槽評價標準《堿性水電解制氫系統(tǒng)“領跑者”性能評價導則》 正式發(fā)布，助力我國可再生能源制氫裝備制造行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。目前國內主流堿性電解槽 企業(yè)均已具備 1000Nm3/h 以上大功率電解槽的生產能力；PEM 電解槽方面，最大單槽產 氫量為 200Nm3/h，國內廠商產能合計百兆瓦級。目前電解水制氫龍頭公司多分布于歐洲， 包括 Nel、ITM Power、HydrogenPro、Enapter、Sunfire、Mcphy 等公司，目前堿性、 PEM 等都有成熟應用，隨著 2021-2022 年歐洲大力發(fā)展綠氫，2022 年電解槽企業(yè)的收 入和訂單顯著增長，預計 2023 年也將有大幅提升。
綠氫需求有望打開電解槽百億發(fā)展空間。根據(jù)中信證券研究部氫能組預測，到 2030 年，全球氫氣的年需求量將從 2022 的約 9000 萬噸增加到 1.8 億噸，其中綠氫占 34％， 約合 6120 萬噸。而 2022 年全球綠氫占比僅為 0.3%，約合 30 萬噸。根據(jù)中信證券研究 部氫能組報告《能源化工行業(yè) 2023 年投資展望—順內需復蘇之勢，乘技術迭代之風》 （2023-1-10）中預測，2045 年我國電解槽市場規(guī)?？善迫f億，發(fā)展空間巨大。
堿性電解槽： 堿性電解槽工藝相對成熟，目前依然是中國電解制氫主流。根據(jù) WPIC 數(shù)據(jù)，在中國 傳統(tǒng)的堿水制氫系統(tǒng)主導著電解制氫市場，占據(jù)了近 90％的市場份額。未來，中石化投入 30 億元人民幣的中國綠氫大型項目預計將使用 260 兆瓦的堿性電解槽設備，該項目計劃 于 2023 年夏天上線，將成為全球最大的氫能項目。目前現(xiàn)有的電解制氫工藝中，堿性電 解槽在技術上最為成熟，國內堿性電解槽通常使用廉價的鎳基催化劑，因此也是資本成本 最低的電解制氫方式。
鉑族金屬正在被納入堿性電解槽電極的催化涂層中。堿性系統(tǒng)正在尋求增加鉑族金屬 負載以提高生產效率。據(jù)蘇州競立制氫設備有限公司創(chuàng)始人兼董事長張碧航表示，行業(yè)內 有跡象表明，堿性電解槽將進一步擴大對鉑族金屬的使用。隨著中國追求能源效率目標， 能源消耗的要求也越來越嚴格，越來越需要電解技術對間歇性風能和太陽能的典型波動作 出更迅速的反應。由于現(xiàn)在的生產越來越需要更高的效率和更低的能耗，堿性電解槽將不 得不求助于貴金屬。目前已經開始使用貴金屬電極進行試驗和創(chuàng)新。
質子交換膜： 投資成本逐步下行，質子交換膜電解槽對鉑族金屬需求或將持續(xù)提升。質子交換膜電 解技術相對于堿性電解技術，具有占地面積小、動態(tài)響應能力強、低負荷（<20%）運行 高效、氫氣不需額外干燥等優(yōu)勢。PEM 電解水技術目前已經初步形成產業(yè)化并在部分地 區(qū)建設示范應用，隨著技術的進步和成本的下降，預計最快將在 2025~2030 年形成規(guī)模 化應用。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，質子交換膜電解槽中的催化劑每 GW 大約對應 總計 1 噸的鉑和銥的需求。預計電解槽將打開鉑族金屬遠期需求空間。
未來堿性電解槽對于貴金屬需求提升疊加質子交換膜發(fā)展加速，2030 年制氫電解槽 或帶來 20 噸鉑金需求。 關鍵假設： 1）電解槽需求量及堿性電解槽占比數(shù)據(jù)使用上文中信證券研究部氫能組預測數(shù)據(jù)。 2）國際能源署（International Energy Agency）稱，質子交換膜電解槽中的催化劑每 十億瓦特（GW）加起來大約需要 1 噸的鉑和銥，據(jù)此假設 2022 年 PEM 電解槽鉑載量為 1t/GW。 3）由于生產越來越需要更高的效率和更低的能耗，堿性電解槽將不得不求助于貴金 屬。但目前貴金屬電極尚且處于試驗和創(chuàng)新階段，未知性較大，行業(yè)內有跡象表明，堿性 電解槽將進一步擴大對鉑族金屬的使用。我們假設到 2030 年堿性電解槽鉑載量 0.015g/kw， 假設 22-30 年堿性電解槽領域鉑載量為線性變動。根據(jù)美國能源部目標，預計 2030 年質 子交換膜鉑載量可降至 0.10 克/KW。 4）假設隨著技術發(fā)展，鉑載量線性變動。
用氫：中國燃料電動電池進入發(fā)展快車道，帶來鉑族金屬新需求增長點
氫燃料電池汽車在鉑金需求中是一個規(guī)模較小但成長前景光明的領域。隨著韓、美、 日、中、德為代表的主要國家氫能基建不斷完善、氫車核心部件持續(xù)降本，氫車推廣有望 迎來大幅加速。燃料電池汽車的核心為電堆，其中的催化劑需要具備較高要求的催化活性、 穩(wěn)定性以及耐久性，因此需要使用大量的金屬鉑。根據(jù) WPIC 的統(tǒng)計，每輛燃料電池汽車 使用大約 30-80 克鉑金，未來目標為降低至 10-15 克鉑金。目前我國研究方向是鉑炭催化 劑，近些年同樣開始研發(fā)鉑鈷催化劑。
催化劑在燃料電池中的應用前景光明。催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，其工作原 理是作用于氫氣，促使電子離開氫原子。目前，燃料電池中常用的商用催化劑是 Pt/C，由 納米級的 Pt 顆粒（3～5nm）和支撐這些 Pt 顆粒的大比表面積活性碳構成。選用 Pt 是由 于其為所有金屬材料中催化 HOR 和 ORR 性能最高的材料，而且滿足作為電極催化材料的 其他要求（高導電率、高穩(wěn)定性、抗腐蝕等）。然而，Pt 是稀有金屬，昂貴的價格（目前 Pt 基催化劑在燃料電池電堆中所占的成本比例約為 50%）和極低的供應量已成為燃料電池 技術走向商業(yè)化應用的主要障礙。
國外巨頭技術領跑，國內龍頭積極布局。目前燃料電池催化劑主要生產商為美國的 3M 公司、Gore 公司和 E-TEK 公司，英國的 Johnson Matthery（莊信萬豐）公司，德國的 BASF 公司，日本的 Tanaka（田中貴金屬）公司和 TKK 公司，比利時的 Umicore 公司等。 本田 FCVClarity 燃料電池汽車催化劑 Pt 含量已經降至 0.12g/kW，豐田 Mirai 燃料電池汽 車催化劑 Pt 含量為 0.175g/kW。目前，我國催化劑企業(yè)還未實現(xiàn)產業(yè)化的實質性突破。 貴研鉑業(yè)股份有限公司、武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司、中科院大連化物所具備小規(guī)模生產的能力，中科院長春應用化學所、天津大學和中山大學等研究機構正在進行積極 的產業(yè)化攻關。
中 國 燃 料電 動 車 進入 發(fā)展 快 車 道， 帶 來 鉑族 金屬 新 需 求增 長 點 。 我們預 計 2025/2030/2050 年全球燃料電動車有望帶來 1.60/3.97/25.56 噸鉑金需求。 關鍵假設：
1）根據(jù)中信證券研究部氫能組預測，展望“十四五”，國內氫能源車有望完成從產業(yè) 導入期到量產的階段，結合各地方政府的氫能源規(guī)劃，燃料電池車保有量有望達 8 萬輛。 這里根據(jù)保有量得出我國各年度新增燃料電池車新增量，并假設銷量平穩(wěn)增長。其中，2023 年我國氫能車銷量或超過 9000 輛，其中大型客車及大型卡車銷量分別為 1250、2000 輛 左右。根據(jù) wind 數(shù)據(jù)及中信證券研究部氫能組預測，2020/2030 年，乘用車電堆需求功 率分別為 70/120 KW/輛，客車為 80/150 KW/輛，貨車為 70/180 KW/輛，物流車為 30/50 KW/輛，由此得出不同車型電堆需求量。
2）氫智會、氫云鏈、中國汽車工業(yè)協(xié)會、韓國國土交通部、次時代自動車振興中心 等數(shù)據(jù)顯示，2019/2020/2021 年全球氫燃料電池車保有量分別為 24132/33398/49562 輛，由此計算 2020/2021 年全球氫燃料電池車產量分別為 9266/16164 輛。中國汽車工 業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，我國 2020/2021 年氫燃料電池車產量分別為 1199/1777 輛，由此計算 我國氫燃料電池車占全球比例分別為 12.9%和 11.0%。鑒于我國積極推進氫能及氫燃料 電池汽車產業(yè)發(fā)展并且在世界氫燃料電池車產業(yè)中占據(jù)重要地位，我們樂觀推測我國燃料 電池車占全球比例在 2022-2025 年分別為 19%/23%/27%/30%，2025 年占比僅同比提 升 3pcts 是由于預計 2025 年我國新增氫燃料電池車產量將有所放緩。未來隨著全球氫 能發(fā)展，假設 2030-2050 年我國燃料電池車占全球比例維持在 35%。
3）根據(jù) E4tech 估計，氫燃料電池車鉑載量的上限水平為 0.26 克/千瓦，下限為 0.09 克/千瓦。假設 2022 年氫能源電池車鉑載量為 0.26 克/千瓦，預計未來燃料電池車鉑載量 逐步下降，假設 2023/2024/2025/2050 年分別為
0.26/0.218/0.175/0.133/0.09 g/KW。
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