一、

氢，作为二次能源，具有能源和原材料两重属性，已被大家普遍认为是未来零碳社会的重要组成部分。长远来看，电解水制氢易与可再生能源结合，规模潜力更大，更加清洁可持续，是最有潜力的绿氢供应方式。而PEM电解水制氢，因其采用的电解池结构紧凑，所以重量轻、体积小、规模灵活；同时得到的氢气纯度高、完全无污染；此外，电解槽效率高、所需能耗低，系统响应速度快，更适合可再生能源的波动性，因此是制取绿氢的主要技术路线之一，未来极具发展潜力。

但不少业内人士对PEM电解水制氢所需的一种关键材料–铱的稳定供应，存在着很大的疑虑。更有专家担心，铱作为一种极端稀有的贵金属材料，可能成为未来PEM电解水技术大规模发展的关键障碍，严重阻碍绿氢及低碳经济的发展。

那么，到底上述疑虑会不会成真呢？

二、

铱是贵金属铂族金属的一种，是比重第二的重金属，达到22.56 g/cm3。铱金属非常难融–其熔点高达2446°C，在所有金属中排第七，次于钨、铼、锇、钽、钼、铌等。此外，铱金属非常抗腐蚀，室温环境下绝大多数酸难以对其腐蚀，包括著名的王水（aqua regia）。由于铱金属的耐热和耐腐蚀性，因此其在很多高温、高腐蚀性工作环境中得到了广泛的使用。同时，纯金属铱又脆又硬，其莫氏硬度达到6.5，但非常容易破碎，因此通常组成合金使用。

氢能产业界和学界都认为铱是最理想的PEM电解水阳极催化材料。主要原因在于，在高电流密度、强氧化性的PEM电解水阳极反应环境下，铱仍然可以保持较高的催化活性和稳定性，极大加快析氧反应，并在活性与稳定性之间取得良好的平衡，因此，在相当长的时间内，其具有不可取代的作用。

铱金属在地壳中含量非常稀少–由于其比重较大，在早期地壳运动中绝大多数已经沉入地核，其地壳丰度仅为0.000003 PPM。同时，铱金属一般与其他铂族贵金属共生，做为铂金的伴生矿，其丰度比起同为贵金属的铂相比也要低一个数量级以上，所以铱注定不会成为铂族金属矿业公司的主产品，其产量注定要依据铂金的开采产量而决定。

目前，全球铱金属年开采量仅有5-10吨，且高度集中于南非--最近若干年，南非约生产了全球80-85%的铱。作为铂的伴生产品，在铂的产量不发生较大变化的情况下，铱的产量将会长期维持稳定，而铂的产量在最近若干年始终稳定在200吨左右，从而决定了铱的产量难有大规模的提升。

由于产量极其有限，需求又不断上升，铱金属的价格在2021年已经上升到约$5000/盎司，远高于同期的黄金与铂（约$1500-2000/盎司），在铂族贵金属中，仅次于更加稀少的铑。

包括中国、美国、欧洲等国家和地区，都已经意识到这个问题。美国政府在2022年度国情咨文中明确提到，包括铂族金属、重稀土的供应，会是零碳、低碳氢能源发展的一个关键因素；对应，美国政府已开始根据美国1950国防生产法案来采取相应措施。

这导致了产业界对于PEM电解水的产业前景普遍存在一种忧虑：铱金属产量稳定，需求如不断上升，将会导致价格飞涨，或者有一天产能供应不足，极大制约产业的正常发展。

三、

那么，我们就用产业现状和业内正在开展的前沿研发，来分析铱贵金属会否成为产业发展的瓶颈，以及如何规避这个风险。

首先，我们来测算技术发展对于铱金属的用量需求变化。

按照业内常用的PEM电解槽铱贵金属用量mg/cm2（膜电极载量）和mg/w（按照电解槽功率换算）两个不同维度，当下（2022年）市面上商业出售的主流PEM电解槽技术，主要在2V 1A/cm2 铱载量2mg/cm2，也暨：2w/cm2--1mg/w，即1毫克/瓦。

而根据世界主要国家的权威部门，如美国能源部（DOE）、中国科技部（MOST）相关研究计划目标要求，到2025年，PEM电解槽的技术水平有望达到1.8v 2A/cm2 膜电极铱载量低于0.5mg/cm2,也暨3.6w/cm2--0.14mg/w，即0.14毫克/瓦，约为2022年单位耗铱量的14%；到2030年，技术水平将达到1.7v 3A/cm2 膜电极铱载量0.2mg/cm2，也暨:5.1w/cm2--0.04mg/w，即0.04毫克/瓦，约为2022年单位耗铱量的4%。

铱金属目前主要应用于汽车、制药等催化剂以及坩埚、OLED等领域，PEM电解槽作为其新的应用领域，正处于爆发阶段。

我们假设随着全球脱碳对于绿氢需求的爆发以及PEM电解槽的发展，每年能够最多有3吨的铱金属可供PEM电解水产业使用。

那么，对应2023年、2025年和2030年的产业技术水平，可分别能支撑多少GW的PEM电解槽产能呢？答案是：

可有效满足产业界和政策界（中、美、欧）对于PEM电解槽未来发展的需求预期。

四、

问题来了，2023年到2030年，将单瓦电解槽贵金属用量下降到原来的1/25，即从1毫克/瓦降低到0.04毫克/瓦。技术上可行性到底有多大？该从哪些方面突破呢？

毫无疑问，首先，我们将重点开发低铱含量的催化剂，降低催化剂中的铱贵金属的质量分数（wt%）；其次，在浆料配置和膜电极涂布过程中，通过技术开发，降低催化剂层的厚度/改变催化剂层的微观结构以达到降低膜电极贵金属载量的目的；再次，辅以有序化模电极或者阳极多孔传输层等新技术方案。

目前，合肥动量守恒公司绿色能源有限公司，依托首席科学家吉林大学邹晓新教授团队等研究成果，在PEM电解水阳极低铱催化剂研发和制备上业内领先；依据其低铱催化剂研发的最新膜电极，铱载量已可达到0.5毫克/cm2,0.15毫克/瓦的技术水平，并已完成定型试验，具备小规模量产条件。同时，根据邹教授团队承担的国家重点研发计划目标，到2025年前，载铱量可进一步降低至0.3毫克/cm2的水平。

另一方面，我们也需要通过市场调节等非技术体系降低产业风险。例如市场价格调节会进一步提升铱金属价格，达到或者接近同族铑金属约$10,000/盎司的地步，这个价格虽然对于PEM电解槽系统的最终价格影响不大（在铱载量极低的情况下），但却可以有效挤出其他应用领域（如铱金笔等），鼓励这些行业寻找铱金属的替代产品。

此外，铱金属作为重要、稀缺的贵金属，必须建立铱金属回收体系，以提高铱金属的供应。目前全球铱金属回收率仅为40-50%，相对于同族金属铂、铑催化剂高达90%的回收率，明显偏低。主要原因也是之前铱金属应用有限，产业界普遍未对铱金属回收使用给予特别关注。预计这一忽略未来也会迅速得以纠正。

结论、

由上可见，尽管由于地壳丰度低、且伴生矿铂金的需求稳定，导致商业化扩大铱金属开采的可能性较低，但通过技术进步、降低PEM系统的单瓦铱用量，以及加大金属回收，通过价格杠杆将其他非关键领域（如铱金笔）的铱用量转移等方法，将可以有效保证铱金属不会成为未来PEM电解槽发展的瓶颈。但另一方面，短期看，铱金属价格波动可能不可避免，甚至有可能直追铑金属，成为铂族金属新的价格之王。