2024年全球及中国制氢催化电极行业发展现状

-1-2024年全球及中国制氢催化电极行业发展现状内容概要：在碱性电解槽中，阴阳电极合计占电极套件成本的15%，占电解槽电堆元部件成本的8%，电极成本主要来自镍基阳极。PEM电解槽膜电极由质子交换膜和阴阳极催化剂组成，阴阳极催化剂占膜电极成本的38%，占PEM电解槽电解电堆组件的9%。在政策的引导和支持下，企业和相关科研机构将加大研发投入，加快催化电极相关技术攻关，助力制氢效率提升。关键词：制氢催化电极、碱性电极、PEM膜电极、水电解制氢一、制氢催化电极政策分析目前，我国氢能产业仍处于发展初级阶段，上升空间广阔。随着“双碳”战略持续推进，我国对氢能行业的重视不断提高。尤其近几年，氢能政策频出，国家高度重视制氢产业链的发展。催化电极作为制氢产业链的重要一环，其技术和性能对制氢效率和质量产生较大影响，因此政策明确要求推进相关技术的研发和突破。2022年6月，工业和信息化部等部门发布《工业水效提升行动计划》，提出着力突破高效催化剂等节水关键共性技术。同年8月，又再次发布《原材料工业“三品”实施方案》，支持催化、储氢材料等关键基础材料研发和产业化。在政策的引导和支持下，企业和相关科研机构将加大研发投入，加快催化电极相关技术攻关，助力制氢效率提升。另一方面，国家政策也大力支持氢能产业发展和建设，尤其可再生能源制氢是政策扶持的重点领域。2022年3月，国家发展改革委等部门发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，提出构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，重点发展可再生能源制氢。2024年3月，国家能源局发布的《2024年能源工作指导意见》中再次强调，重点发展可再生能源制氢，拓展氢能应用场景。随着政策持续发力，可再生能源制氢建设将加快发展，电解水制氢需求释放。催化电极作为电解水制氢的重要部件，其需求量也将随之增多。二、制氢催化电极行业发展现状分析碱性电解槽的成本主要包括两个部分，即电堆元部件和辅助设备BOP，电堆元部件占碱性电解槽成本的45%。电堆元部件又可分为电极套件、多孔传输层、结构层等多个部分，其中电极套件就是碱性电解槽的隔膜和电极。阴阳电极合计占电极套件成本的15%，占电解槽电堆元部件成本的8%，并且，电极成本主要来自镍基阳极。目前在大型碱性电解槽中，电极基材主要以纯镍网和泡沫镍为主。一方面是由于镍属于过渡金属材料，性价比较高；另一方面则是由于我国镍网等产品较为成熟，镍网宽幅也能够满足大型碱性电解水制氢装置的需求。随着技术的进步，电解水制氢成本还有一定的下降空间，碱性电解槽成本下降的驱动力主要来自电耗成本和运维成本。其中，电耗成本下滑主要取决于电解槽制氢效率，而电极是影响电解槽制氢效率的关键因素。PEM电解槽膜电极由质子交换膜和阴阳极催化剂组成，质子交换膜电解槽采用高分子聚合物质子交换膜替代了碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，具有离子传导和隔离气体的双重作用。目前水电解制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂，长期被美国和日本企业垄断，如杜邦Nafion™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion®膜、旭化成Aciplex®-S膜等。其中杜邦Nafion™系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点，是目前电解制氢选用最多的质子交换膜。阴阳极催化剂在膜电极中扮演着至关重要的角色，其主要作用包括加速催化反应、提高反应速率、进行选择性催化以及提高PEM制氢的稳定性。PEM膜电极的催化层含有专门的催化剂，如铂或铱，这些催化剂能够降低水分解的能量门槛，从而加速电解过程中的反应速率。具体来讲，阳极催化剂促进水分解生成氧气和质子（氢离子），而阴极催化剂则促进质子（氢离子）与电子结合生成氢气。阴阳极催化剂还能通过降低反应所需的活化能，使得电解反应在较低的电压和电流密度下就能进行，从而提高了整个电解过程的能量效率和反应速度。同时，PEM电解槽膜电极中的催化层对氢气和氧气的生成具有选择性，能够确保在阳极主要产生氧气，在阴极主要产生氢气，从而有效地分离了产生的氢气和氧气，防止了气体的混合，提高了电解过程的安全性。另外，在PEM电解槽的膜电极中，催化层还具有良好的化学稳定性和耐久性，能对长时间、高电流密度下的电解操作，保障PEM电解制氢的稳定性。PEM电解槽的成本主要包括电解电堆组件和辅机两部分，电解电堆组件成本占比为45%；电解电堆组件又可分为，膜电极、双极板、多孔传输层、小组件等，膜电极成本占比为24%，其成本由金属Pt、金属Ir、全氯磺酸膜和制备成本四要素组成。其中，阴阳极催化剂占膜电极成本的38%，占PEM电解槽电解电堆组件的9%。阴阳极催化剂包括OER侧催化层Ir和HER侧催化层Pt，分别占PEM电解槽电解电堆组件成本的6%和3%。OER侧催化层Ir是阳极催化剂，载量在4-12g/m2；HER侧催化层Pt是阴极催化剂，载量约为4-7g/m2。三、全球制氢催化电极行业重点企业贺利氏在贵金属行业已有160多年的历史。凭借在贵金属催化剂方面深厚的专业知识，贺利氏PEM水电解制氢催化剂产品供应丰富。贺利氏贵金属的产品组合包括具有不同贵金属负载量的水电解制氢催化剂。近年来，贺利氏贵金属通过开发显著降低贵金属负载量的PEM水电解制氢催化剂，实现了突破性的创新。贺利氏贵金属推出的新一代低铱负载催化剂产品H2-EL-xxIrO-S是一种低负载型催化剂，与早期产品相比，可将催化剂性能提高三倍，同时将CCM中的贵金属负载量降低50-90%。另外，贺利氏贵金属的最新创新产品铱钌合金催化剂是基于钌的催化剂，用于PEM水电解。除铱外，钌也能催化析氧反应OER，这是PEM电解的关键部分。钌具有优于铱的催化活性，然而，与铱相比，钌在PEM电解槽的复杂条件下缺乏稳定性。为此，贺利氏贵金属提出的新理念解决了这一问题，即通过一种新颖的方式将钌和氧化铱结合在一起，在保持钌催化活性提高的同时，还增强了稳定性。这种钌-氧化铱材料带来了前所未有的活性提升。该催化剂的质量活性比氧化铱高出50倍，而且与单独的氧化钌不同，能够在操作条件下保持稳定。加速老化试验证实了这种新型催化剂在30000次循环后的稳定性，其活性损失明显低于氧化钌，与氧化铱相当。未来，节铱催化剂的应用将是氢气增产的一个重要因素。四、中国制氢催化电极行业重点企业凯立新材主要从事贵金属催化剂的研发与生产、催化应用技术的研究开发、废旧贵金属催化剂的回收及再加工等业务，其研发和生产的催化剂广泛的应用于医药、农药、颜料、染料、食品、化工新材料等领域。同时，凯立新材也在基础化工、能源环保等催化剂应用领域不断布局并取得突破。凯立新材开发的氢能领域专用催化剂包括电解水制氢催化剂、化学储氢催化剂、氢燃料电池催化剂，涉及氢能从制备、储运到应用全产业链。其中，凯立新材的电解水制氢催化剂包括析氢专用催化剂和析氧专用催化剂。2022年，凯立新材的催化剂产销量实现跨越式增长，产量为384.58吨，同比增长136.11%，销量为371.9吨，同比增长163.03%。2023年，凯立新材的催化剂产销量继续保持高位，与上年同期基本持平。2023年，凯立新材的催化剂产量为391.61吨，销量为372.83，分别同比增长1.83%、0.25%。目前，凯立新材的在研项目“氢能专项”中，与制氢相关的PEM电解水制氢催化剂的在研项目已完成百克级稳定生产阶段。未来，凯立新材的制氢催化剂产能将有所提升，推动催化剂产销量继续上涨。五、制氢催化电极行业发展趋势碱性电极占碱性电解槽电堆元部件成本的57%，其成本以制备成本为主。因此，碱性电极的降本之路可从规模化生产入手，提高生产效率，从而降低制备成本。我国碱性电极技术不断突破，产品性能得到显著提升，为碱性电极的规模化生产奠定了基础。同时，随着氢能产业的快速发展，市场对碱性电极的需求不断增长，企业为满足市场需求，也将加快碱性电极的规模化生产。膜电极占PEM电解槽电解电堆组件成本的24%，其成本以材料成本为主。因此，膜电极的降本之路则需从Pt、Ir等材料入手，提高膜电极催化效率，降低Pt、Ir载量。近年来，许多企业加大研发力度，推出低Pt浓度的产品，降低制氢成本。在市场上，已经有一些低Pt浓度的产品被成功推出并得到了应用，这些产品不仅降低了成本，还提高了产品的性价比，受到了市场的欢迎。在政策和市场的驱动下，企业以及相关科研院所也不断推进新型制