推开万亿氢能赛道的第三重门——氢能源车

新能源车的心脏是锂电池，同样的，氢能源车的核心零部件也是电池。试想，有一台这样的车，比新能源车更环保，动力也更强，充能只需五分钟，续航超过1000KM，不受冬天能耗影响。简单说，集合了新能源车和燃油车的优点。 不难猜测，这种车便是氢能源车。虽然技术未曾落地，但各国政府、各路资本纷纷发力投入这片浩瀚的蓝海中，氢能源车的量产正徐徐展开。与此同时，市场对氢能源车产生了诸多问题。比如，氢能源车和新能源车有什么区别？二者孰优孰劣？氢能源车发展怎么样了？ 继日前发布的——推开万亿氢能赛道的第一重门之制氢篇、第二重门储运篇后，如今，进行该系列第三部——氢能源车已创作完成。前两篇分别对制氢、储氢、加氢等技术进行了研究，本篇文章是对氢能源车上下游产业链发展现状，以及未来的技术路径进行分析，以解答读者的困惑。 电池系统是氢能源车的核心 可以说，在氢能源的产业链中，读者最关注的无疑是下游氢能源车。从产业链上来看，氢能源车位于下游，是面向终端使用的一个环节。同时，也是离消费者最近的一个环节。不同于产业链条中化工、机械等冰冷的工业与技术，下游应用端天生便俘获了认知上的好感。 我们每一个人都见证了新能源车替代传统燃油车的浪潮。殊不知，当每一轮的产业革命发生，新技术横空出世，紧接着不能回避的一个问题就是工业落地。这一步不单单是终端面临消费者打开市场，更为关键的，是上游产业链与零部件的成本下降和技术突破。 如同新能源车一样，没有锂电池技术的落地，就没有新能源车的如火如荼。没有平价上网，就没有光伏的大面积推广。因此，在氢能源车产业中，零部件与整车同样重要。新能源车的心脏是锂电池，同样地，氢能源车的核心零部件也是电池。前事不忘，后事之师。我们有必要对氢能源车的电池系统进行深度的研究。 铂催化剂和质子交换膜是燃料电池的核心 传统燃油车和新能源车的最大区别在于动力系统。前者的动力是汽油/柴油在内燃机燃烧将热能转化成动能，而后者则是锂电池通过化学反应产生电能，将电能转化为动能。氢能源车的动力系统原理，其实更类似于新能源车。 区别是使用氢气作为燃料而产生电能，再转化为动能。因此，我们也可以称氢能源车为氢燃料车或氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车主要由高压储氢罐、燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力电池、驱动电机和动力控制单元等组成。   同锂电池一样，燃料电池系统成本占据氢能源车成本接近30%。燃料电池系统主要由电池堆和支持系统两部分构成，前者是核心动力组件，后者由空气压缩机、加湿器、燃料回路、空气回路等支持组件构成。根据国泰君安测算，电堆占据电池系统成本超过一半。 电堆是什么？想必读者有些困惑。简单来讲，由于单个燃料电池功率有限，因此往往需要将诸多电池单元进行串联，串联后的电池组便是电堆。这个道理如同锂电池一样，需要将众多电芯（Cell）组装成为模组（Module），再把模组安装进电池包（Pack）里，才能作为新能源车的动力系统。 电堆的组成比较复杂，由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封圈这七个部分组成。   这其中，我们最为关注的便是膜电极，其成本占据电堆总成本的60%以上，被誉为燃料电池的芯片。膜电极可以说是为氢能源车提供动力的主战场。膜电极一般由质子交换膜（PEM）、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构”。 在膜电极中，氢作为燃料使用，但是氢气并不直接燃烧，而是和氧气反应转换为电能。氢气和氧气的化学反应是非常简单的，学过初中化学基础的都应该知道：2H2+O2=2H2O。其工作原理也并不难理解，我们之前讲过电解水的原理，氢燃料电池发电就是电解水的逆反应。 具体来看，在氢燃料电池中，氢气通过导气管由电池阳极输入，在铂(Pt)的作用下分解为电子和氢离子（质子）H2→2H++2e,这一原理被称为催化反应。铂由于表面积大，吸附能力强，是现阶段最佳的催化剂，同时保证氢气不直接燃烧。 之后，质子通过质子交换膜到达负极，这个质子交换膜很厉害，含有多种离子基团，只允许质子通过，其作用如同锂电池的隔膜+电解液，这个技术也是关键的一点。氢离子与阴极输入的氧气反应生成水；而电子则被质子交换膜阻隔，经由外电路流向阴极，产生电能为汽车供能。 上述的分析可以让我们了解氢能源车的发电原理，更重要的是，深入到具体流程可以让我们挖掘到燃料电池的核心部件，那便是铂和质子交换膜。 铂不会成为氢能源车的瓶颈 提到铂金、白金首饰，自是无人不知、无人不晓。铂是比黄金更为稀缺的金属，硬度也高于黄金，稳定性较黄金有过之而无不及。从性能来看，其耐腐蚀性以及抗氧化性强。热膨胀系数小、热电稳定性强，熔点高达1772℃，延展性良好，催化活性高。由于具有很高的化学稳定性，常常被用来制造耐腐蚀的化学仪器，也大量用于工业生产过程中，在炼油工业、汽车等产业作为催化剂使用。 据专业人士计算，每辆氢燃料电池车需要铂50g，大巴则需要100g。虽然燃料电池中使用的是铂基化合物，但我们可以用铂金价格做一个粗略的计算，以供参考。5月10日金投网最新数据显示，1盎司现货铂金价格为975美元，1盎司约为28.35g。那么，一辆氢燃料电池车使用铂的成本为1719.57美元，1辆大巴成本为3439.15美元。铂昂贵的价格无疑抬升了氢燃料车的成本。根据日本NEDO数据显示，电堆成本中催化剂占比高达53%。   数据来源：日本NEDO   另一方面，铂常常以矿物形式存在，开采难度更大，工艺复杂，产量较小。根据矿业人才网数据显示，自然界铂的储量比黄金还为稀少。据不完全统计，铂金总储量为1.4万吨。世界铂金的年产量仅85吨，只有黄金的5%。从产地来看，南非产量占比80%以上，其余以俄罗斯等国家为主，我国铂金储量仅300多吨。1盎司铂金，需从数十吨铂金矿石中历经5个月才能提炼出来。 毫无疑问，高昂的价格极大提升了氢能源车的成本，稀缺的上游资源对未来氢能源车大面积推广构成了制约因素。解决上游资源卡脖子的方案无非有二，一为开源，二为节流。目前应用于氢燃料电池的催化剂主要有三种，除了铂(Pt)催化剂外，还有低铂催化剂和非铂催化剂。目前市场主流的催化剂为铂炭催化剂，就是将铂的纳米颗粒分散在炭粉作为的载体上。 当然，非铂催化剂是最佳的解决方案。不过，其稳定性与Pt基催化剂仍有较大差距。目前，过渡金属-氮-碳化合物这一技术路径得到广泛认可，具备催化活性、成本和寿命等优点，是一条较好的替代方案。世界各国研究机构均在非铂催化剂的技术领域上积极探索。 据报告，近期，英国伦敦帝国理工学院开发出一种氢燃料电池，它使用的催化剂是由铁、碳和氮为原料构成，这三种原材料相比铂来说是廉价并容易获得的。在实验室测试中，该团队表明其性能已经接近铂催化剂。除此之外，随着技术的进步，单车铂含量也在下降。根据庄信万丰（Johnson Matthey）的测算，海外最新的研究能够将铂用量降至0.06g/kW（约7.06g/辆）。 实际应用上，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）。国内技术水平则为0.3g/kW（约35.3g/辆）。活性衰减方面，海外已经实现3万次循环后衰减在5%以内；国内3千次循环后衰减达到86%。通过非铂催化剂的研发和降低铂催化剂的用铂量。二者共同作用下，铂的稀缺性将得到有效缓解，不再成为产业链卡脖子环节。 我国铂催化剂产业发展较为滞后，以进口为主。据海关总署数据，2021年我国贵金属催化剂进口数量为6179吨，出口数量为1715吨，进口金额为14.21亿美元，出口金额为2.23亿美元。日本田中贵金属、英国庄信万丰和比利时优美科，是全球较大的几家燃料电池催化剂供应商，技术较为领先，产品性能优异。 不过，随着氢能源的推广，我国企业纷纷踏入催化剂领域。以中科科创、贵研铂业（600459）、苏州擎动科技等为代表。其中，贵研铂业与上海汽车集团合作已经研发出铂基催化剂。苏州擎动科技实现国内首个铂合金催化量产，其开发的铂合金催化剂，能够将燃料电池的铂消耗量降低7%。 质子交换膜国产替代可期 膜电极的关键零部件除了铂催化剂外还有质子交换膜。目前质子交换膜有多种技术方案，不过以全氟磺酸膜为主流。理解这个名字其实并不难，透过生产流程，借助分子式便可以解惑。因为生产全氟磺酸膜的基础材料是萤石。萤石分子式为CaF2，与硫酸(H2SO4)反应形成氢氟酸（HF），之后进行一系列的反应制成全氟磺酸膜。 正是由于全氟磺酸膜的化学性质，使得其性能、稳定性远高于同类产品，脱颖而出。与铂催化剂一样，全氟磺酸膜产能主要集中在海外，以美国戈尔、科慕、陶氏和3M公司为主。据高工氢电统计，国内生产的膜电极，目前多数使用戈尔的增强复合膜，市占率在90%以上，显而易见，全氟磺酸膜也是氢能源燃料电池又一个国产替代的关键。 国内以东岳集团（00189.HK）、科润新材料、浙江汉丞等企业为代表。其中，东岳集团已具备燃料电池交换膜规模化量产的能力，实现批量供货。科润新材料、浙江汉丞已实现小批量供货。产能方面，东岳150万平米生产线和科润100万平米项目陆续展开。随着技术突破、产能落地，质子交换膜国产替代可期。 结语 氢能源车的零部件与整车同等重要，产业链坡长雪厚，发展方兴未艾。国产替代浪潮势必来临，未来将诞生出一批优秀的企业。因此，本篇文章主要对氢能源车的燃料电池进行研究，重点放在了核心零部件铂催化剂和质子交换膜上。当然，想必各位读者对氢能源整车的研究会更感兴趣，后续将推出该系列的文章，敬请期待。  

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