揭秘神话：铂族金属在未来氢能的作用

摘要/引言 第1章铂族金属在氢经济中的应用 绿氢被广泛认为是关键的能源载体，既可用于储存绿色电能，也可用于推动难以减排行业的脱碳进程。新的用于绿氢生产、储存、运输和利用的技术正在被开发。该领域已具备绿氢设备规模化生产的产业基础，并且全球范围内正在竞相推动该技术的进一步工业化。推动绿氢产能建设的努力，还包括建立成熟的供应链。行业和政策制定者认识到，氢能经济所需的关键原材料的弹性供应具有特殊的重要性。 误解1：铂族金属稀缺，供应面临挑战。我们应该跳过那些需要铂族金属来提高稳定性的少数技术。 事实上，铂族金属被广泛应用于众多技术领域。它们被应用于氢价值链的每个阶段，而不仅仅是“少数几种一次性技术”。 误解2：铂族金属价格昂贵。这极大地推动了氢气价格的上涨。 第2章铂族金属在氢能领域的成本与效率贡献 恰恰相反！铂族金属能提升竞争力，并对最终产品 ――氢气的价格产生积极影响。它们能够在恶劣条件下运行，并提供高效率和耐用性。因此，氢气的加工或生产所需的能源更少。铂族金属的采购成本通过更具竞争力的氢气价格得以收回。此外，在使用寿命结束时，可以通过回收利用来回收原材料成本。总的来说，它们使绿氢更具成本效益。 误解3：正如电池技术需要建立锂或稀土供应链一样，铂族金属的供应也被视为氢能行业的一大挑战。 遗憾的是，在关于此类关键原材料的公开讨论中，人们反复发现存在各种误解。在氢能领域，这尤其涉及铂族金属（PGM）的使用。由于关键原材料政策主要受电池或光伏行业的启发，现有模型并不完全适用于铂族金属行业。本白皮书将揭穿最普遍存在的误解，并提供有关铂族金属使用和供应的事实。 幸运的是，工业应用所需的铂族金属供应已是一个发展成熟的产业。它并不构成挑战。在铂族金属的供应链、生产设施以及财务和技术方面的专业知识方面，都已建立了良好的基础。 第3章贵金属供需 误解4：铂族金属是性质均一的材料组，可通过相同的政策予以支持或监管。 如果正确看待，铂族金属并非构成一个统一的群体。各种金属的可用数量和市场状况存在显著差异。某项政策对一种铂族金属有利，却可能对另一种的市场造成不利影响。 结论 揭秘神话：铂族金属在未来氢能的作用 铂族金属在氢经济中的应用 第1章 铂族金属，特别是铂、铱、钌和钯等金属，被应用于绿氢生命周期的每个环节。在生产、加工以及多种终端应用中，铂族金属主要用于催化反应、 提升效率并减少电损耗，或在典型的恶劣操作条件下保护组件免于性能衰退。因此，它们对于这些应用中所用设备的效率和耐用性至关重要。 铂 族 金 属 与 绿 氢 产业 息 息 相 关， 且 在绿 氢 产 业 的 许 多 关键 技 术 中 具 有 不 可替代性。 在 绿 氢 的 生 产、 运输和使用全链条中，铂（Pt）、铱（Ir）、钌（Ru）、 钯（Pd）、 铑（Rh）被 广 泛 应 用 于各种场合。 一 些 不 使 用 铂 族 金属 的 特 定 技 术， 并不 意 味 着 它 们 在 氢能领域无足轻重。 1.1绿氢生产中的铂族金属 第1章 在现有的电解槽类型中，碱性电解槽（AWE）的总装机量最大。存在不同类型的此类电解槽，它们可使用非铂族金属电催化剂。然而，更高效且更耐用的电解槽采用的是“先进碱性电极”，使用了钌或铱催化剂。 绿氢的生产始于通过绿电进行电解水来生成氢气。然而，在许多情况下，在氢气运输或使用之前，需要进行氢气纯化和压缩以便于运输。图2展示了在该环节的各个步骤中铂族金属的可能用途。 被广泛认为是可再生能源和间歇式制氢的最佳选择，并且是迄今为止装机量第二大的技术。 1.1绿氢生产中的铂族金属 新型阴离子交换膜电解槽（AEMWE）通常标榜其支持无铂族金属运行。然而，研究表明，非铂族金属阴极催化剂难以达到所需的使用寿命，并且与含铂族金属的催化剂相比，可能导致可实现的电流密度降低至少一半。这意味着非铂族金属AEMWE的 效 率 通 常 低 于 基 于 铂 族 金 属 的AEMWE。 1.2氢气的储存与运输1.3 对于质子交换膜电解槽（PEMWE）而言，除了铂族金属电催化剂外，尚无其他可行方案能同时实现高效率和高耐久。电解槽组件中的高导电性且耐用的铂涂层还能额外提升效率。PEMWE系统 氢气纯化中的铂族金属 1.4 绿氢使用中的铂族金属 电解水制氢的各种电解槽技术如图3所示。在低温技术中，铂族金属是电催化剂的重要组成部分，这些电催化剂能够利用电力引发电化学反应，将水转化为氢气和氧气。贵金属也被用于保护涂层中，以确保部件的长期耐用性。 1.2氢气的储存与运输 第1章 绿氢可以以压缩或液态形式储存和运输，也可以作为其他“绿色分子”的一部分。如图4所示，氢 气 可 以 作 为 氨（NH3）、 甲 烷（CH4）或 甲 醇（MeOH）经典合成路线的基础，使用钌基催化剂可促进高效合成。在氢气的储存和运输方面，有机液态储氢材料（LOHC）可通过使用铂基、钯基或钌基催化剂的加氢过程“装载”氢气。 1.1绿氢生产中的铂族金属 氢气的储存与运输 脱氢，即从“载氢”有机液态储氢材料中获得氢气，主要使用含钯和含铂催化剂进行催化。虽然氢 的 衍 生 物 如 氨（NH3）、 甲 烷（CH4）或 甲 醇（MeOH）可用作化工原料，但这些物质也可以用于重新获得氢气。在氨裂解制氢和氮的过程中，可使用不同类型的催化剂，例如钌基催化剂1。甲烷主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）释放氢气。该工艺通常使用镍等贱金属，但可能还需要铑、钌或铂重整催化剂。蒸汽甲烷重整产生的混合物包含氢气、二氧化碳和一氧化碳，这些物质可作 氢气纯化中的铂族金属 为 化 工 合 成 的 重 要 原料，或作为进一步纯化以获得纯氢。为了从甲醇中获得氢气，与使用非 铂 族 金 属 催 化 剂 相比，使用含钯或铂的催化剂同样可以提升反应效率。 1.4 绿氢使用中的铂族金属 1.3氢气纯化中的铂族金属 第1章 无论是通过电解直接从绿色能源中制氢，还是从绿色分子中回收获得氢，亦或是通过重整、热解或气化从灰色分子中制氢：需要根据其最终用途进行纯化。这通常需要一个多阶段的纯化过程，以达到所需的纯度水平。图6提供了各种纯化技术的非详尽概览。选择纯化技术的决定性因素包括杂质的类型及含量、气体压力、流速，以及最终的纯度目标。 1.1绿氢生产中的铂族金属 1.2氢气的储存与运输1.3 电解水产生的氢气几乎总是含有氧气，尤其是在高温电解过程中，还会含有水蒸气。结合干燥工艺（用于脱氧干燥器），贵金属催化剂（即基于铂和/或钯的催化剂）在转化和去除氧气的效率和长期稳定性方面具有无可比拟的优势。 氢气纯化中的铂族金属 化碳和氢气――能通过使用铂基催化剂提升效率。此外，通过使用铂基或钌基催化剂，可实现一氧化碳优先氧化（PROX）或甲烷化，从而进一步去除微量一氧化碳。 行状态。此外，新型钯膜为分散式应用中的氢气纯化提供了一种最有效的方法，并具有可在高压下运行的额外优势。 绿氢使用中的铂族金属 从天然气或其他烃类中制得的氢气需要更为复杂的纯化步骤，因为需要去除更多杂质，如一氧化碳、二氧化碳和水。纯化方法可包括气体洗涤、低温蒸馏或变压吸附，这些方法无需使用铂族金属即可实现。然而，催化类工艺如水煤气变换反应（WGS）――可将一氧化碳与水转化为二氧 在重整、水煤气变换和精制过程中，含贵金属体系展现了其优势，特别是在分散式应用中，它们能够在较低的操作温度下实现更高的收率，并且在某些污染物存在的情况下仍能保持更稳定的运 1.4绿氢利用中的铂族金属 第1章 定的优势和劣势（见图8）。使用案例中的可能变化包括系统规模、运行条件（温度、压力等）的容许变化、原料气（氢气、烃类、氮氢化合物）以及燃料杂质的容许含量。 最后，绿氢及其衍生物可用于发电。发电最有效的方法之一是使用燃料电池。这些设备通过电化学反应直接将燃料和氧气转化为水和能量。 铂族金属电催化剂不可或缺；而在较高温度下，辅助系统（BoP）中则需使用铂族金属催化剂以确保稳定运行。 1.1绿氢生产中的铂族金属 成熟的燃料电池技术数量远多于成熟的电解槽技术数量（见图7），且燃料电池的应用场景差异也远大于电解槽。每种技术针对不同的应用场景（大致分为固定式、运输式和便携式）都有其特 在 燃 料 电 池 领 域， 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池（PEMFC）技术在总产量和使用案例数量方面占据主导地位。该技术在交通运输领域的研究和产业化方面获得了最多的投资。因此，该技术也经 不同燃料电池的一个共同主题是，若不使用铂族金属，这类设备要么无法正常运行，要么效率偏低、耐久性不足。在运行温度低于400°C时， 1.2氢气的储存与运输1.3 氢气纯化中的铂族金属 1.4 绿氢使用中的铂族金属 1.4绿氢利用中的铂族金属 第1章 历了最显著的技术多样化，包括针对不同应用场景 使 用 不 同 的 铂 族 金 属 电 催 化 剂。 根 据ISO14687标准定义，用于燃料电池交通运输应用（且进料为高纯度气体）的标准电催化剂材料是铂或铂基合金。对于要求特别高的案例，可以添加铱基催化剂以延长系统寿命或提高其对更广泛运行条件的耐受性。对于杂质含量较高的氢气原料气，如未经充分纯化的重整气，则常使用含钌催化剂。 1.1绿氢生产中的铂族金属1.2氢气的储存与运输1.3氢气纯化中的铂族金属1.4绿氢使用中的铂族金属 在装机容量和年销售设备数量方面，质子交换膜燃料电池（PEMFC）之后是其他成熟的替代燃料电池类型，这些类型在各自的细分市场中占据主导地位，即大型固定应用中的固体氧化物燃料电池（SOFC）或磷酸燃料电池（PAFC），小型固定应用中的碱性燃料电池（AFC），以及移动应用中的直接甲醇燃料电池（DMFC）。 酸性中低温燃料电池的运行依赖于使用铂族金属电催化剂。这一组包括磷酸燃料电池（PAFC）、其衍生物含磷酸的高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）及其衍生物甲醇供料直接甲醇燃料电池（DMFC）。操作环境的酸性特性要求涂层必须兼具抗腐蚀性与导电性，因此，这通常通过使用铂族金属，或选用贵金属金（Au）来实现。 化剂或预重整催化剂可以提高效率，并且对于稳定运行是必不可少的。 碱性燃料电池，如液态碱性燃料电池（AFC）与阴离子交换膜燃料电池（AEMFC），面临与碱性电解槽类似的问题：尽管可在无铂族金属条件下运行，但其寿命和效率通常远低于使用铂族金属催化剂的系统。 高 温 燃 料 电 池， 如 质 子 传 导 陶 瓷 燃 料 电 池（PCFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），均无需使用铂族金属电催化剂即可工作。这些技术也可以直接使用甲烷等烃类进行操作，但高效的铑基或钌基重整催 铂族金属在氢能领域的成本与效率贡献 第2章 关于绿氢生产的公众和政治讨论，往往特别指出电解槽或其他氢气相关应用中关键原材料的使用中铂族金属相对较高的价格。然而，这一论点具有误导性：虽然贵金属催化剂的初始材料成本确实高于非贵金属催化剂，但这并不是最关键的方面。对于长期运行的设备而言，系统效率与组件耐用性对成本的影响，远高于初始投资成本。 尽 管 铂 族 金 属 稀 缺且 昂 贵， 但 它 们 对总 拥 有 成 本 的 净 效应 是 积 极 的， 而 非消极的。 初 期 所 需 的 较 高 资本 支 出 远 小 于 效 率提 高 和 寿 命 延 长 所带来的影响。 在PEM电解槽中使用铂族金属的商业考量 电解槽项目经济可行性的首要决定因素，是其相应的氢气的平准化成本（LCOH）。LCOH广泛描述了生产一公斤氢的成本，考虑了总生产量以及电解槽在其整个生命周期内的安装、维护和运营的累积成本。这主要取决于设备的运营成本，而非电解槽的初始投资。高效电解槽能利用电力生产更多氢气，从而降低LCOH。这在电费较高的地区尤为明显。高度灵活的电解槽可在不同负载点位运行，可在较低负载下运行，可快速开启