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一、
氫，作為二次能源，具有能源和原材料兩重屬性，已被大家普遍認為是未來零碳社會的重要組成部分。長遠來看，電解水制氫易與可再生能源結合，規(guī)模潛力更大，更加清潔可持續(xù)，是最有潛力的綠氫供應方式。而PEM電解水制氫，因其采用的電解池結構緊湊，所以重量輕、體積小、規(guī)模靈活；同時得到的氫氣純度高、完全無污染；此外，電解槽效率高、所需能耗低，系統(tǒng)響應速度快，更適合可再生能源的波動性，因此是制取綠氫的主要技術路線之一，未來極具發(fā)展?jié)摿Α?/span>
但不少業(yè)內人士對PEM電解水制氫所需的一種關鍵材料–銥的穩(wěn)定供應，存在著很大的疑慮。更有專家擔心，銥作為一種極端稀有的貴金屬材料，可能成為未來PEM電解水技術大規(guī)模發(fā)展的關鍵障礙，嚴重阻礙綠氫及低碳經(jīng)濟的發(fā)展。
那么，到底上述疑慮會不會成真呢？
二、
銥是貴金屬鉑族金屬的一種，是比重第二的重金屬，達到22.56 g/cm3。銥金屬非常難融–其熔點高達2446°C，在所有金屬中排第七，次于鎢、錸、鋨、鉭、鉬、鈮等。此外，銥金屬非常抗腐蝕，室溫環(huán)境下絕大多數(shù)酸難以對其腐蝕，包括著名的王水（aqua regia）。由于銥金屬的耐熱和耐腐蝕性，因此其在很多高溫、高腐蝕性工作環(huán)境中得到了廣泛的使用。同時，純金屬銥又脆又硬，其莫氏硬度達到6.5，但非常容易破碎，因此通常組成合金使用。
氫能產(chǎn)業(yè)界和學界都認為銥是最理想的PEM電解水陽極催化材料。主要原因在于，在高電流密度、強氧化性的PEM電解水陽極反應環(huán)境下，銥仍然可以保持較高的催化活性和穩(wěn)定性，極大加快析氧反應，并在活性與穩(wěn)定性之間取得良好的平衡，因此，在相當長的時間內，其具有不可取代的作用。
銥金屬在地殼中含量非常稀少–由于其比重較大，在早期地殼運動中絕大多數(shù)已經(jīng)沉入地核，其地殼豐度僅為0.000003 PPM。同時，銥金屬一般與其他鉑族貴金屬共生，做為鉑金的伴生礦，其豐度比起同為貴金屬的鉑相比也要低一個數(shù)量級以上，所以銥注定不會成為鉑族金屬礦業(yè)公司的主產(chǎn)品，其產(chǎn)量注定要依據(jù)鉑金的開采產(chǎn)量而決定。
目前，全球銥金屬年開采量僅有5-10噸，且高度集中于南非--最近若干年，南非約生產(chǎn)了全球80-85%的銥。作為鉑的伴生產(chǎn)品，在鉑的產(chǎn)量不發(fā)生較大變化的情況下，銥的產(chǎn)量將會長期維持穩(wěn)定，而鉑的產(chǎn)量在最近若干年始終穩(wěn)定在200噸左右，從而決定了銥的產(chǎn)量難有大規(guī)模的提升。
由于產(chǎn)量極其有限，需求又不斷上升，銥金屬的價格在2021年已經(jīng)上升到約$5000/盎司，遠高于同期的黃金與鉑（約$1500-2000/盎司），在鉑族貴金屬中，僅次于更加稀少的銠。
包括中國、美國、歐洲等國家和地區(qū)，都已經(jīng)意識到這個問題。美國政府在2022年度國情咨文中明確提到，包括鉑族金屬、重稀土的供應，會是零碳、低碳氫能源發(fā)展的一個關鍵因素；對應，美國政府已開始根據(jù)美國1950國防生產(chǎn)法案來采取相應措施。
這導致了產(chǎn)業(yè)界對于PEM電解水的產(chǎn)業(yè)前景普遍存在一種憂慮：銥金屬產(chǎn)量穩(wěn)定，需求如不斷上升，將會導致價格飛漲，或者有一天產(chǎn)能供應不足，極大制約產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。
三、
那么，我們就用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和業(yè)內正在開展的前沿研發(fā)，來分析銥貴金屬會否成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，以及如何規(guī)避這個風險。
首先，我們來測算技術發(fā)展對于銥金屬的用量需求變化。
按照業(yè)內常用的PEM電解槽銥貴金屬用量mg/cm2（膜電極載量）和mg/w（按照電解槽功率換算）兩個不同維度，當下（2022年）市面上商業(yè)出售的主流PEM電解槽技術，主要在2V 1A/cm2 銥載量2mg/cm2，也暨：2w/cm2--1mg/w，即1毫克/瓦。
而根據(jù)世界主要國家的權威部門，如美國能源部（DOE）、中國科技部（MOST）相關研究計劃目標要求，到2025年，PEM電解槽的技術水平有望達到1.8v 2A/cm2 膜電極銥載量低于0.5mg/cm2,也暨3.6w/cm2--0.14mg/w，即0.14毫克/瓦，約為2022年單位耗銥量的14%；到2030年，技術水平將達到1.7v 3A/cm2 膜電極銥載量0.2mg/cm2，也暨:5.1w/cm2--0.04mg/w，即0.04毫克/瓦，約為2022年單位耗銥量的4%。
銥金屬目前主要應用于汽車、制藥等催化劑以及坩堝、OLED等領域，PEM電解槽作為其新的應用領域，正處于爆發(fā)階段。
我們假設隨著全球脫碳對于綠氫需求的爆發(fā)以及PEM電解槽的發(fā)展，每年能夠最多有3噸的銥金屬可供PEM電解水產(chǎn)業(yè)使用。
那么，對應2023年、2025年和2030年的產(chǎn)業(yè)技術水平，可分別能支撐多少GW的PEM電解槽產(chǎn)能呢？答案是：
可有效滿足產(chǎn)業(yè)界和政策界（中、美、歐）對于PEM電解槽未來發(fā)展的需求預期。
四、
問題來了，2023年到2030年，將單瓦電解槽貴金屬用量下降到原來的1/25，即從1毫克/瓦降低到0.04毫克/瓦。技術上可行性到底有多大？該從哪些方面突破呢？
毫無疑問，首先，我們將重點開發(fā)低銥含量的催化劑，降低催化劑中的銥貴金屬的質量分數(shù)（wt%）；其次，在漿料配置和膜電極涂布過程中，通過技術開發(fā)，降低催化劑層的厚度/改變催化劑層的微觀結構以達到降低膜電極貴金屬載量的目的；再次，輔以有序化模電極或者陽極多孔傳輸層等新技術方案。
目前，合肥動量守恒公司綠色能源有限公司，依托首席科學家吉林大學鄒曉新教授團隊等研究成果，在PEM電解水陽極低銥催化劑研發(fā)和制備上業(yè)內領先；依據(jù)其低銥催化劑研發(fā)的最新膜電極，銥載量已可達到0.5毫克/cm2,0.15毫克/瓦的技術水平，并已完成定型試驗，具備小規(guī)模量產(chǎn)條件。同時，根據(jù)鄒教授團隊承擔的國家重點研發(fā)計劃目標，到2025年前，載銥量可進一步降低至0.3毫克/cm2的水平。
另一方面，我們也需要通過市場調節(jié)等非技術體系降低產(chǎn)業(yè)風險。例如市場價格調節(jié)會進一步提升銥金屬價格，達到或者接近同族銠金屬約$10,000/盎司的地步，這個價格雖然對于PEM電解槽系統(tǒng)的最終價格影響不大（在銥載量極低的情況下），但卻可以有效擠出其他應用領域（如銥金筆等），鼓勵這些行業(yè)尋找銥金屬的替代產(chǎn)品。
此外，銥金屬作為重要、稀缺的貴金屬，必須建立銥金屬回收體系，以提高銥金屬的供應。目前全球銥金屬回收率僅為40-50%，相對于同族金屬鉑、銠催化劑高達90%的回收率，明顯偏低。主要原因也是之前銥金屬應用有限，產(chǎn)業(yè)界普遍未對銥金屬回收使用給予特別關注。預計這一忽略未來也會迅速得以糾正。
結論、
由上可見，盡管由于地殼豐度低、且伴生礦鉑金的需求穩(wěn)定，導致商業(yè)化擴大銥金屬開采的可能性較低，但通過技術進步、降低PEM系統(tǒng)的單瓦銥用量，以及加大金屬回收，通過價格杠桿將其他非關鍵領域（如銥金筆）的銥用量轉移等方法，將可以有效保證銥金屬不會成為未來PEM電解槽發(fā)展的瓶頸。但另一方面，短期看，銥金屬價格波動可能不可避免，甚至有可能直追銠金屬，成為鉑族金屬新的價格之王。
