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铂催化剂及氢气纯化技术将助力氢燃料电池产业大发展!
发布时间:2022-09-25 07:07:28 作者:乐语体育外围彩票 来源:乐鱼体育竞技309

   燃料电池通常使用氢作为能源,利用氢气和氧气之间的化学反应实现化学能 到电能的转换,具备高效、清洁优势。1)氢的热值高,是同质量汽油的 3 倍,理论能量转换效率达 90%以上,因此氢燃料电池具备其他种类电池所无 可比拟的能量转换效率优势。2)氢为二次清洁能源,原料来源广泛,反应产 物也只有水,线)氢燃料电池利用化学反应实现电能 转换,没有机械部件的往复和旋转运动,减少机械部件的磨损,具备低噪和 使用寿命长的优势。目前,氢燃料电池可广泛应用于汽车、分布式发电、便 携式电源等领域。

   PEMFC和SOFC是目前燃料电池商业化应用的主流技术路线,其中PEMFC 是燃料电池汽车应用的首选。根据不同的技术路线,目前燃料电池总体可分 为 6 大类,包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、 磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电 池(MCFC)和碱性电解液燃料电池(AFC)。其中,质子交换膜燃料电池 (PEMFC)具备高效率、低温快速启动、零污染、低噪等特点,已经成为当 前全球商业化应用的主流,并重点应用于新能源汽车领域。此外,固体氧化 物燃料电池(SOFC)具备燃料适应性广、能量转换效率高、全固态等优势, 是大型分布式发电应用的主流选择。

   汽车是目前燃料电池应用的最主要市场。从历年全球燃料电池出货量构成来 看, PEMFC+SOFC 合计占燃料电池总出货量的 95%左右,2016 年开始 SOFC 的出货量占比快速提升,或得益于其在大型分布式发电领域应用规模的扩张, PEMFC 出货量始终保持绝对优势。从装机量构成来看,PEMFC+SOFC 合计 占燃料电池总装机量将近 90%,且近六年以来占比逐年提升,其中 PEMFC 装机量占比在 2018 年超过了 75%,预计 2019 年将超过 80%,可见汽车是当 前燃料电池应用的最重要市场。

   PEMFC 通常使用铂作为分解氢气的催化剂。PEMFC 的工作原理为利用氢气 通过催化剂,分解成两个氢离子和两个电子,通过质子交换膜筛选后,电子 由负极流向正极形成电流驱动电机。铂由于具备优秀的氧还原反应催化活性, 是 PEMFC 应用上研究最广泛、也是应用最成熟的催化剂材料。

   并且目前尚未有其他材料可用于替代铂催化剂。由于铂属于贵金属材料,价 格昂贵,因此不少国内外学者希望通过铂基合金,甚至是非铂基催化剂的方 式来降低催化剂中的铂含量以降低燃料电池成本,但绝大部分材料目前都还 处于研发阶段,包括催化活性、稳定性、大规模制备技术等都是这些拟替代 材料未来需要逐步解决的问题。目前来看,铂是当前唯一具备规模化生产能 力的 PEMFC 催化剂材料。

   海外企业在铂催化剂的研发和产业化上领先。海外可实现铂催化剂大规模生 产的企业主要包括庄信万丰(JM) 、日本田中(TKK)、优美科(Umicore) 等,国内喜马拉雅、、上海交通大学和大连化物所等实现了小规模化生产,但 在铂载量、质量比活性等方面与海外企业相比仍有较大的差距。此外,上市 公司贵研铂业在燃料电池催化剂方面也早有布局。

   全球主要国家和地区对燃料电池产业发展规划明晰,燃料电池汽车(FCV) 有望步入加速导入期。

   日本:2030 年末建成加氢站 900 座,实现 FCV 保有量 80 万辆。日本是全球 燃料电池汽车发展最为领先的国家,大力推进构建“氢能社会”。早在 2004 年,日本在《国家新产业创新战略》中就将燃料电池列为国家重点推进的七 大新兴战略产业之首,2010 年日本燃料电池商业化协会制定了日本燃料电池 汽车和加氢站推广路线 年发布《氢能基本战略》对 2020 年、 2030 年氢能利用做了详尽规划。2019 年 3 月发布《氢能利用进度表》,进一 步规划到 2025 年末建成加氢站 320 座,实现 FCV 保有量 20 万辆,到 2030 年末建成加氢站 900 座,实现 FCV 保有量 80 万辆。

   韩国:到 2040 年分阶段生产 620 万辆 FCV,建成加氢站 1200 座。韩国将氢 能产业定为三大战略投资领域之一。2019 年初,韩国发布《氢能经济发展路 线图》, FCV 方面,争取 2019 年年底前在国内普及 4000 辆以上 FCV,规划 到2025年打造出10万辆/年的生产体系,到2040年分阶段生产620万辆 FCV (一半以上用于出口)。此外,韩国政府还计划在公共交通领域逐步普及FCV, 规划到 2040 年实现 4 万辆规模燃料电池公交车的普及。加氢站方面,韩国 2018 年加氢站仅 14 座,规划到 2019 年、2022 年、2040 年分别实现 86 座、 310 座、1200 座,同时考虑放宽管制措施积极吸引民间资本的参与,一方面 进一步加速氢燃料电池产业的建设,另一方面拉动经济增长。

   欧洲:2030 年 FCV 乘用车达 370 万辆,FCV 轻型商业运输车 50 万辆,FCV 卡车和公共汽车 4.5 万辆。2019 年 2 月,《欧洲氢能路线图》发布,FCV 方 面,路线 万辆 FCV 乘用车和 50 万辆 FCV 轻型商 用车,分别占乘用车的 1/22 和轻型商用车的 1/12,实现 4.5 万辆 FCV 卡车和 公共汽车,在车方面,实现约 570 辆柴油列车的燃料电池化替代。加氢站方 面,截至 2018 年末,欧洲在营加氢站 152 座,占全球的 40%以上,预计未来 加氢站规模将进一步扩张。

   中国:规划到 2025 年实现 FCV 保有量 5 万辆,加氢站规模 200 座,2035 年 实现 FCV 保有量 130 万辆,加氢站 1500 座。2015 年《中国制造 2025》中 就将燃料电池汽车产业作为十大发展领域之一。2016 年我国首次提出氢能产 业发展路线 年燃料电池汽车数量达到 10000 辆,到 2030、 2050 年燃料电池汽车保有量达到 200、1000 万辆。2017 年《汽车产业中长期 发展规划》中提及要支持燃料电池全产业链技术攻关,逐步扩大燃料电池汽 车试点示范范围。2019 年,《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》发布,根 据目前燃料电池的实际应用情况修正 2016 年规划,计划 2025、2035、2050 年分别实现加氢站规模 200 座、1500 座、10000 座,分别实现 FCV 保有量 5 万辆、130 万辆和 500 万辆。根据中汽协的数据,2018 年我国燃料电池汽车 总销量 1527 辆,而国内商用车销量为 437.1 万辆,燃料电池汽车渗透率仅 0.03%,未来发展空间可观。

   规模化助力 FCV 降本,商用 FCV 总拥有成本预计率先低于 BEV。虽然目前 FCV 偏高的价格限制了其需求市场的打开,但未来随着持续的规模化,燃料 电池系统成本有望快速降低,从而带来整车价格下降,性价比提升。从不同 车型来看,根据对于体积较大,同时运行路线相对固定的车辆,其总拥有成 本(TCO)预计将最早达到低于 BEV 的水平,而到 2030 年左右,家庭用轿 车的 TCO 预计也将降至与 BEV 相当的水平,届时 FCV 在汽车市场的渗透率 有望实现加速提升。

   商用车先行,政策推动及补贴催化下燃料电池汽车产业有望迎来加速发展。外媒 insideevs 统计,2019 年全球 FCV 销量预计达 7574 辆,同比大幅增长 90%。预计 FCV 的发展路径类似于电动汽车,先从商用车市场切入,在政策 推动下加速发展,通过规模化实现降本,同时完善加氢站等基础设施建设, 最后实现在乘用车领域的普及。

   燃料电池汽车对铂的用量高,单车铂含量可达到 10-20g。根据庄信万丰 (Johnson Matthey)的测算,早期每辆氢燃料电池汽车的铂含量为 30-80 克, 铂消耗量为传统柴油车的 3-8 倍;近年来,随着技术进步,单车铂含量有所 下降,目前海外最新的研究能够将铂用量降至 0.06g/kW(约 7.06g/辆), 国内 技术水平则为 0.3g/kW,而丰田等第一梯队车企的商业化车型用量大约为 0.17g/kW(约 20g/辆)。

   据估计,2017 年全球燃料电池催化剂铂金的消耗量不到 1.2 吨,若假设 2025 年全球载客汽车年产量为 1.05 亿辆,其中商用车占比 26.3%,FCV 渗透率 3%,乘用车占比 73.7%,FCV 渗透率 0.5%,单车铂含量 17.5g,则需消耗 铂 21.3 吨,占 2018 年全年铂需求量的 8.8%,对铂需求带来显著的边际增量。

   由于铂金具有优异的物理属性与催化属性,被广泛应用于工业及投资消费领 域。过去 5 年,汽车催化剂领域的铂金需求最高,大约占总需求的 37%到 41%。 铂在其他工业用途中的需求平均占全球总需求的 20%左右。首饰消费平均占 铂金总需求的 35%,需 求占比仅次于汽车领域。投资是铂金最小的需求领域, 也是过去 5 年中变动最大的领域,在总需求中占 2%至 11%不等。

   汽车是铂金最大的终端需求领域,汽车数量、汽车体积与汽车动力类型会影 响汽车产业对铂金的需求量。汽车对铂的需求主要用于制造汽车尾气催化剂 (三元催化器),铂催化剂可将汽车尾气中 90%的烃、氮氧化物和一氧化碳转 化为水、氮气和二氧化碳,减少有害气体的排放。因此,汽车数量越多,所 需三元催化器的基数越大;汽车体积越大,所需内燃机体积越大,相应铂用 量也会呈线性增长;而柴油动力类汽车对铂的需求高于其他动力类型的汽车, 柴油车市占率越大,铂需求量越大。另外,环保标准的提高会促使汽车尾气 排放标准的进一步提高,则需要更高的 PGM 含量。

   欧洲市场柴油车份额下降导致欧洲尾气催化剂的铂金需求出现下降。传统柴 油车中 PGM 总含量约 5-10g,与柴油车相比,汽油车尾气催化剂中 PGM 含 量仅 2-5g,且含铂量较少,含钯量较高。欧洲一直以来都是汽车尾气催化剂 需求量最大的地区,需求占全球比重达 50%以上,因此 2016 年以来欧洲柴油 车市场份额的下降导致尾气催化剂铂金需求量出现下降。预计未来欧洲柴油 车的比重将继续下降,引起这一区域汽车尾气催化剂需求量的进一步减少。

   但汽车尾气排放标准的提高一定程度可对冲柴油车比重降低带来的用铂量 下降。2019 年-2021 年,中国、印度、欧洲将要采用新的、更为严格的尾气 排放标准,对铂金的需求量将产生积极的作用。由于全球各国对尾气排放的 标准不断提高,单车用铂量也将相应增加以处理更多的有害物质,这将在一 定程度上对冲柴油车比重的下降。

   其中,中国新实施国Ⅵ标准将是全球最严格的标准之一,与国Ⅴ标准相比, 其对尾气排放的限制要求进一步提高,CO/HMHC/NOX/PM 的标准分别下降 30%、50%、42%、33%;同时新增实际行驶排放,进行实际驾驶路面的尾气 检测,避免排放作弊。新国标计划在 2020 年针对城市重型车辆、2021 年针 对所有重型车辆实施,其中北京、上海、广州、杭州、天津、河北、河南、 山东等地区于 2019 年 1 月 1 日起提前实施,正式实施后,单车对三元催化器 的需求将有所提升,同时行驶检测将避免尾气催化器长期不更换,未来尾气 催化器的更换需求将提升。

   另外,过高的钯金价格也引起了尾气催化剂中铂对钯金的替代,预计全球汽 车催化剂行业中至少有 25%的钯需求可被铂替代。与柴油车相比,汽油车尾 气催化剂中 PGM 含量为 2-5g,且 含铂量较少,含钯量较高,二者比重约 1:8; 随着汽油车渗透率的提高,尾气催化剂对钯的需求快速提升。同时,钯相对 于铂的储量更为稀少,根据 WPIC 的统计,2016-2018 年全球钯金供不应求, 也导致了 2016 年以来钯金价格大幅上涨。考虑到钯的高昂成本,大量生产商 已开始研究使用铂替代钯,预计全球汽车催化剂行业中至少有 25%的钯需求 可被铂替代。考虑到技术研发的壁垒、以及下游汽车公司通常会提前 1-5 年 采购所需的铂族金属,预计铂对钯的大量替代或将发生在 2020 年以后,届时 铂金需求将有望出现大幅增长。

   鉴于铂金特殊的物理特性,铂金在汽车以外的传统工业领域用途广泛。从 WPIC 统计的数据来看,铂金的工业需求可细分为五大领域:化工 (31%-36%)、医药(13%-15%)、电子(10%-13%) 、玻璃(10%-12%)、石 油(6%-12%)。除了 2008-2009 年全球经济下行阶段出现过较大回落外,铂 金的工业需求变动相对稳定,尤其是在 2014-2017 年,铂金工业需求由 50 吨 /年增长至 62.8 吨/年,复合增长率 7%,需求增长稳健。这一时期,玻璃、石 油化工是主要的增长领域,考虑到中国在这些领域的大量投资,预计未来 2 年可拉动全球铂金的工业需求维持平稳增长。另外,由于燃料电池汽车单车 用铂量高于传统汽车,随着燃料电池汽车的快速发展,其对工业需求的拉动 作用将更为显著。

   玻璃是铂金工业需求增长最快的领域。铂金可用于光学玻璃、液晶显示屏、 玻璃纤维等高品质玻璃的制造,由于铂金具备耐高温、不与玻璃熔体与蒸汽 发生化学反应的特点,因此主要被用于制作熔化玻璃的坩埚和拉制连续玻璃 纤维的漏板,避免生产过程中掺杂进其他化学成分。近年来,随着电子产业 的发展,高品质玻璃的需求量增长,也带来了玻璃领域铂金需求的快速提升。

   化工是铂金在工业上最主要的用途。铂金通常与金属铑制成铂铑金属丝网后, 用于硝酸工业生产过程中的氨气氧化流程;近年来各类特种有机硅产品也需 要使用铂金作为催化剂,并且此类产品的生产过程中铂金会被消耗而不可回 收,预计未来化工领域的铂金需求仍可维持稳定增长。

   铂族金属储量稀少,分布高度集中于南非。根据 USGS 最新的统计,全球铂 族金属储量总计 6.9 万吨,其中 91%都集中在南非地区,储量达到 6.3 万吨, 其余则分布在俄罗斯、津巴布韦、美国、加拿大等地,尤其是俄罗斯在 2017 年新增储量约 0.28 万吨。但与黄金相比,铂族金属储量更为稀少,全球黄金 储量约 5.4 万吨,年产量约 3150 吨,而据不完全统计,全球铂储量约 3.7 万 吨,年产量 200 吨,钯储量则仅为铂储量的六分之一,年产量约 210 吨。

   铂金矿的地区分布集中于南非布什维尔德矿区。在自然界中,铂通常不会以 单体的形式存在于矿石中,常与钯、铑、镍、铜、金等金属共生。全球 80% 具备经济价值的含铂矿床位于南非北部的布什维尔德矿区(Bushveld Complex),另外津巴布韦的韦大岩墙矿(Great Dyke)、俄罗斯诺里尔斯克(Noril’sk Talnakh)、美国斯提耳沃特(Stillwater Complex)、加拿大萨德伯里 (Sudbury Complex)也是全球主要的铂矿矿区。

   2012 年以来铂价持续低于矿山平均生产成本,矿产铂大幅放量的概率很小。2012 年前,铂金矿的生产成本对铂金价格的底部支撑作用显著,但这一特点 在 2012 年起被打破;且以 2013 年全球铂金矿的生产成本来估算,当前的铂 金价格(14600 兰特/盎司)下,有部分矿山无法覆盖其现金成本。从成本角 度来看,在当前铂金价格明显低于矿山现金成本的背景下,矿产企业的生产 动力不强,出现矿产铂大幅放量的概率也不大。

   汽车尾气催化剂是最主要的回收铂来源,预计近年来回收量将出现增长。22%-28%的铂供给来自于回收铂,而回收铂中 62%来自于汽车尾气催化剂。 通常来说,汽车的报废年限在 12-15 年,考虑到汽车使用的差异性,预计 2000-2007年间销售的汽车将是近期主要的报废车辆。而根据Johnson Matthey 的统计,这一时期全球柴油车催化剂铂金含量急剧增加,反映在数据上也可 看到这一时期汽车尾气催化剂对铂金的需求量快速提升。因此,预计近几年 汽车尾气催化剂的铂回收量将出现增长。

   铂金的定价需要同时考虑其商品属性与金融属性。由于铂金广泛的工业用途, 其定价受到供求关系的影响很大;但同时作为贵金属的一员,铂金与黄金价 格的走势存在一定的相关性,特别是在铂金 ETF 等金融产品诞生后,铂金的 金融属性不断增强。

   商品属性方面,2019 年开始铂供给出现缺口,若 2020 年后燃料电池汽车能 如预期快速发展,将带来铂金需求快速增长,铂金供需缺口或进一步扩大。供给方面,2020-2021 年矿产铂产能基本持平,增量主要来自于汽车催化剂回 收铂,预计铂供给将有小幅增长。需求方面,尾气催化剂需求在排放标准提 高的背景下下,需求量或有小幅增长;主要的铂需求在于工业领域,其中化 工、电子、玻璃等领域需求预计稳健增长,特别的,最大的边际增量在于燃 料电池汽车催化剂需求,若假设全球载客汽车年产量为 1.05 亿辆,其中商用 车占比 26.3%,FCV 渗透率 3%,乘用车占比 73.7%,FCV 渗透率 0.6%,单 车铂含量 17.5g,则需消耗铂 22.6 吨,届时或将导致铂金供需缺口进一步扩 大,对价格形成支撑。

   金融属性方面,关注铂金与黄金价格的关联。从历史走势来看,铂金与黄金 价格走势趋近,根据 WPIC 的研究,2002 年以来铂金与黄金价格的相关系数 为 0.51,二者具有较强的相关关系。2011 年前铂金对黄金价格以升水为主, 而 2011 年后则转为贴水,2016 年以来铂金较黄金的贴水稳定在 200~400 美 元/盎司,而截至目前已达到 600 美元/盎司以上的高位。近期黄金价格出现上 涨,铂价有望在金价的带动上出现上行。

  铂金对钯金价格的大幅贴水也凸显了铂金的投资价值。从历史上来看,铂金 价格通常都会高于钯金,仅出现 2 次贴水,一次在 1998 年-2001 年,当时最 高贴水达到 265 美元/盎司;另一次则是当前,2018 年 9 月起,伦敦现货钯价 格一路走高,而铂金价格走势偏弱,相对钯金价格出现贴水,截至 2020 年 2 月 21 日,贴水最高达 1776 美元/盎司。铂金价格相对钯金的大幅贴水或体现 了铂金价值被低估,其投资价值凸显。

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