评估电解槽和燃料电池堆材料关键性的方法论创新及其在氢能系统中的应用

本研究针对欧盟资源高效型经济转型中关键原材料(CRMs)的供应风险问题，通过系统评估9种关键性指标方法学，对比分析了碱性电解槽(AWE)、质子交换膜电解槽(PEMWE)、固体氧化物电解槽(SOEC)及两种固体氧化物燃料电池(SOFC)的材料关键性。研究发现AWE在7/9评估中关键性最低，而PEMWE因铱(Ir)和铂(Pt)需求成为最高风险技术，为氢能系统材料选择提供了量化依据。

　　

随着欧盟通过《欧洲绿色协议》提出2050年净零排放目标，氢能技术被视为实现工业、交通和能源部门脱碳的关键支柱。然而，电解槽和燃料电池(FCH)系统高度依赖进口关键原材料(CRMs)，如铂族金属(PGMs)、稀土元素(REEs)和钴(Co)等，其供应链脆弱性可能阻碍能源转型。当前材料关键性评估(CA)方法存在标准不统一、指标敏感度差异大等问题，且缺乏针对氢能技术的系统研究。为此，来自国内研究机构的研究团队在《Resources, Conservation 》发表论文，通过整合欧盟关键原材料评估(EC-CA)、地理政治风险(GeoPolRisk)等9种方法学框架，首次对三种电解槽和两种燃料电池堆开展材料关键性量化对比，为氢能技术研发提供材料优化路径。

研究采用生命周期可持续评估(LCSA)逻辑，选取包括二元法、MEErP、SH2E指标等9种方法构建特征化因子(CFs)，基于欧洲委员会2023年最新供应链风险(SR)、经济重要性(EI)等数据，结合美国地质调查局(USGS)全球产量数据，对AWE、PEMWE、SOEC及SOFC F’’’20/CS^V
堆的材料清单进行关键性评分。通过标准化处理和贡献度分析，识别出不同技术路线的关键材料热点。

方法与材料
研究创新性提出材料关键性指标(MCI)，将供应风险(SR)与经济重要性(EI)的乘积与全球产量(P_i
)、欧盟消费量(C_i
)、进口依赖度(IR)和报废回收率(EoL_RIR
)关联，公式为CF=SR×EI/(P_i
-C_i
×IR×(1-EoL_RIR
))。对比方法包括：1）二元法仅累计CRMs质量；2）MEErP引入替代指数(SI)；3）Mancini关联SR与全球产量；4）Tran采用SR×EI；5）SH2E(1/2)侧重消费量；6）GeoPolRisk整合价格与地缘指数；7）ESSENZ采用目标距离法。

结果与讨论
材料关键性排序：铱(Ir)在8/9方法中位列第一，其全球年产量仅7.23克，欧盟消费0.92克，导致MCI值达3.9×6.4/(7.23-0.92×1×(1-0.12))=5.7×10⁶
。钕(Nb)因100%进口依赖和零回收在SH2E指标中产生无限值，暴露方法学缺陷。

技术对比：

• 电解槽：AWE因主要使用镍(Ni, 7kg)在二元法中关键性最高，但在其他方法中因Ni的SR仅0.5而表现最佳；PEMWE因Ir(0.6g)和Pt(3.3g)在MCI评估中风险值达4.2×10⁴
  ，是AWE的58倍；SOEC因钇(Y)、钆(Gd)等REEs需求在GeoPolRisk中钴(Co)成为意外热点。
• 燃料电池：重型F’’’20堆因减少REEs用量（La/Gd比45:1 vs CS^V
  的70:1）在8/9评估中优于轻量化CS^V
  设计，但Tran法因CroferAPU钢中铁(Fe, 118kg)和铬(Cr, 34kg)的EI>7而反转结果。

方法论启示：
1）二元法和Tran法过度依赖质量或经济权重，可能误导结论；
2）SH2E指标对低消费材料（如Gd）产生放大效应；
3）GeoPolRisk中价格参数（Pt价格是REEs的1000倍）显著影响排序；
4）ESSENZ缺失Ir数据限制PEMWE评估完整性。

结论与展望
研究证实碱性电解和重型燃料电池堆设计具有最低材料关键性，而PEMWE的铱需求和SOEC/SOFC的稀土依赖构成主要瓶颈。提出的MCI指标通过整合生产和回收数据，更准确反映欧盟供应链现实，为《关键原材料法案》(CRMA)要求的本土化战略提供量化工具。未来需开发动态模型预测资源供需变化，并加强材料科学、地缘经济学与生命周期评估的多学科协作，以应对氢能规模化部署带来的资源挑战。该研究不仅为FCH技术选型提供决策依据，其方法论框架也可扩展至其他战略技术领域的材料风险评估。