文|阿爾法工場(chǎng)
試想，有一臺(tái)這樣的車(chē)，比新能源車(chē)更環(huán)保，動(dòng)力也更強(qiáng)，充能只需五分鐘，續(xù)航超過(guò)1000KM，不受冬天能耗影響。
簡(jiǎn)單說(shuō)，集合了新能源車(chē)和燃油車(chē)的優(yōu)點(diǎn)。 不難猜測(cè)，這種車(chē)便是氫能源車(chē)。
雖然技術(shù)未曾落地，但各國(guó)政府、各路資本紛紛發(fā)力投入這片浩瀚的藍(lán)海中，氫能源車(chē)的量產(chǎn)正徐徐展開(kāi)。
與此同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)氫能源車(chē)產(chǎn)生了諸多問(wèn)題。
比如，氫能源車(chē)和新能源車(chē)有什么區(qū)別？二者孰優(yōu)孰劣？氫能源車(chē)發(fā)展怎么樣了？
繼日前發(fā)布的——推開(kāi)萬(wàn)億氫能賽道的第一重門(mén)之制氫篇、第二重門(mén)儲(chǔ)運(yùn)篇后，如今，進(jìn)行該系列第三部——?dú)淠茉窜?chē)已創(chuàng)作完成。 前兩篇分別對(duì)制氫、儲(chǔ)氫、加氫等技術(shù)進(jìn)行了研究，本篇文章是對(duì)氫能源車(chē)上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀，以及未來(lái)的技術(shù)路徑進(jìn)行分析，以解答讀者的困惑。
01 電池系統(tǒng)是氫能源車(chē)的核心
可以說(shuō)，在氫能源的產(chǎn)業(yè)鏈中，讀者最關(guān)注的無(wú)疑是下游氫能源車(chē)。
從產(chǎn)業(yè)鏈上來(lái)看，氫能源車(chē)位于下游，是面向終端使用的一個(gè)環(huán)節(jié)。
同時(shí)，也是離消費(fèi)者最近的一個(gè)環(huán)節(jié)。不同于產(chǎn)業(yè)鏈條中化工、機(jī)械等冰冷的工業(yè)與技術(shù)，下游應(yīng)用端天生便俘獲了認(rèn)知上的好感。
我們每一個(gè)人都見(jiàn)證了新能源車(chē)替代傳統(tǒng)燃油車(chē)的浪潮。
殊不知，當(dāng)每一輪的產(chǎn)業(yè)革命發(fā)生，新技術(shù)橫空出世，緊接著不能回避的一個(gè)問(wèn)題就是工業(yè)落地。 這一步不單單是終端面臨消費(fèi)者打開(kāi)市場(chǎng)，更為關(guān)鍵的，是上游產(chǎn)業(yè)鏈與零部件的成本下降和技術(shù)突破。
如同新能源車(chē)一樣，沒(méi)有鋰電池技術(shù)的落地，就沒(méi)有新能源車(chē)的如火如荼。沒(méi)有平價(jià)上網(wǎng)，就沒(méi)有光伏的大面積推廣。
因此，在氫能源車(chē)產(chǎn)業(yè)中，零部件與整車(chē)同樣重要。
新能源車(chē)的心臟是鋰電池，同樣地，氫能源車(chē)的核心零部件也是電池。 前事不忘，后事之師。
我們有必要對(duì)氫能源車(chē)的電池系統(tǒng)進(jìn)行深度的研究。
02 鉑催化劑和質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心
傳統(tǒng)燃油車(chē)和新能源車(chē)的最大區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。前者的動(dòng)力是汽油/柴油在內(nèi)燃機(jī)燃燒將熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，而后者則是鋰電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
氫能源車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)原理，其實(shí)更類(lèi)似于新能源車(chē)。區(qū)別是使用氫氣作為燃料而產(chǎn)生電能，再轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
因此，我們也可以稱(chēng)氫能源車(chē)為氫燃料車(chē)或氫燃料電池汽車(chē)。
氫燃料電池汽車(chē)主要由高壓儲(chǔ)氫罐、燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力控制單元等組成。
同鋰電池一樣，燃料電池系統(tǒng)成本占據(jù)氫能源車(chē)成本接近30%。
燃料電池系統(tǒng)主要由電池堆和支持系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，前者是核心動(dòng)力組件，后者由空氣壓縮機(jī)、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構(gòu)成。 根據(jù)國(guó)泰君安測(cè)算，電堆占據(jù)電池系統(tǒng)成本超過(guò)一半。
電堆是什么？想必讀者有些困惑。
簡(jiǎn)單來(lái)講，由于單個(gè)燃料電池功率有限，因此往往需要將諸多電池單元進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)后的電池組便是電堆。
這個(gè)道理如同鋰電池一樣，需要將眾多電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝進(jìn)電池包（Pack）里，才能作為新能源車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)。
電堆的組成比較復(fù)雜，由端板、絕緣板、集流板、雙極板、膜電極、緊固件、密封圈這七個(gè)部分組成。
這其中，我們最為關(guān)注的便是膜電極，其成本占據(jù)電堆總成本的60%以上，被譽(yù)為燃料電池的芯片。
膜電極可以說(shuō)是為氫能源車(chē)提供動(dòng)力的主戰(zhàn)場(chǎng)。 膜電極一般由質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層與氣體擴(kuò)散層三個(gè)部分組成所謂的“三合一結(jié)構(gòu)”。
在膜電極中，氫作為燃料使用，但是氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)是非常簡(jiǎn)單的，學(xué)過(guò)初中化學(xué)基礎(chǔ)的都應(yīng)該知道：2H2+O2=2H2O。
其工作原理也并不難理解，我們之前講過(guò)電解水的原理，氫燃料電池發(fā)電就是電解水的逆反應(yīng)。
具體來(lái)看，在氫燃料電池中，氫氣通過(guò)導(dǎo)氣管由電池陽(yáng)極輸入，在鉑(Pt)的作用下分解為電子和氫離子（質(zhì)子）H2→2H++2e,這一原理被稱(chēng)為催化反應(yīng)。鉑由于表面積大，吸附能力強(qiáng)，是現(xiàn)階段最佳的催化劑，同時(shí)保證氫氣不直接燃燒。
之后，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)負(fù)極，這個(gè)質(zhì)子交換膜很厲害，含有多種離子基團(tuán)，只允許質(zhì)子通過(guò)，其作用如同鋰電池的隔膜+電解液，這個(gè)技術(shù)也是關(guān)鍵的一點(diǎn)。
氫離子與陰極輸入的氧氣反應(yīng)生成水；而電子則被質(zhì)子交換膜阻隔，經(jīng)由外電路流向陰極，產(chǎn)生電能為汽車(chē)供能。
上述的分析可以讓我們了解氫能源車(chē)的發(fā)電原理，更重要的是，深入到具體流程可以讓我們挖掘到燃料電池的核心部件，那便是鉑和質(zhì)子交換膜。
03 鉑不會(huì)成為氫能源車(chē)的瓶頸
提到鉑金、白金首飾，自是無(wú)人不知、無(wú)人不曉。
鉑是比黃金更為稀缺的金屬，硬度也高于黃金，穩(wěn)定性較黃金有過(guò)之而無(wú)不及。
從性能來(lái)看，其耐腐蝕性以及抗氧化性強(qiáng)。熱膨脹系數(shù)小、熱電穩(wěn)定性強(qiáng)，熔點(diǎn)高達(dá)1772℃，延展性良好，催化活性高。
由于具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，常常被用來(lái)制造耐腐蝕的化學(xué)儀器，也大量用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，在煉油工業(yè)、汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)作為催化劑使用。
據(jù)專(zhuān)業(yè)人士計(jì)算，每輛氫燃料電池車(chē)需要鉑50g，大巴則需要100g。雖然燃料電池中使用的是鉑基化合物，但我們可以用鉑金價(jià)格做一個(gè)粗略的計(jì)算，以供參考。
5月10日金投網(wǎng)最新數(shù)據(jù)顯示，1盎司現(xiàn)貨鉑金價(jià)格為975美元，1盎司約為28.35g。那么，一輛氫燃料電池車(chē)使用鉑的成本為1719.57美元，1輛大巴成本為3439.15美元。鉑昂貴的價(jià)格無(wú)疑抬升了氫燃料車(chē)的成本。
根據(jù)日本NEDO數(shù)據(jù)顯示，電堆成本中催化劑占比高達(dá)53%。
數(shù)據(jù)來(lái)源：日本NEDO
另一方面，鉑常常以礦物形式存在，開(kāi)采難度更大，工藝復(fù)雜，產(chǎn)量較小。 根據(jù)礦業(yè)人才網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，自然界鉑的儲(chǔ)量比黃金還為稀少。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鉑金總儲(chǔ)量為1.4萬(wàn)噸。 世界鉑金的年產(chǎn)量?jī)H85噸，只有黃金的5%。從產(chǎn)地來(lái)看，南非產(chǎn)量占比80%以上，其余以俄羅斯等國(guó)家為主，我國(guó)鉑金儲(chǔ)量?jī)H300多噸。1盎司鉑金，需從數(shù)十噸鉑金礦石中歷經(jīng)5個(gè)月才能提煉出來(lái)。
毫無(wú)疑問(wèn)，高昂的價(jià)格極大提升了氫能源車(chē)的成本，稀缺的上游資源對(duì)未來(lái)氫能源車(chē)大面積推廣構(gòu)成了制約因素。 解決上游資源卡脖子的方案無(wú)非有二，一為開(kāi)源，二為節(jié)流。
目前應(yīng)用于氫燃料電池的催化劑主要有三種，除了鉑(Pt)催化劑外，還有低鉑催化劑和非鉑催化劑。
目前市場(chǎng)主流的催化劑為鉑炭催化劑，就是將鉑的納米顆粒分散在炭粉作為的載體上。
當(dāng)然，非鉑催化劑是最佳的解決方案。
不過(guò)，其穩(wěn)定性與Pt基催化劑仍有較大差距。
目前，過(guò)渡金屬-氮-碳化合物這一技術(shù)路徑得到廣泛認(rèn)可，具備催化活性、成本和壽命等優(yōu)點(diǎn)，是一條較好的替代方案。 世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)均在非鉑催化劑的技術(shù)領(lǐng)域上積極探索。
據(jù)報(bào)告，近期，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種氫燃料電池，它使用的催化劑是由鐵、碳和氮為原料構(gòu)成，這三種原材料相比鉑來(lái)說(shuō)是廉價(jià)并容易獲得的。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)表明其性能已經(jīng)接近鉑催化劑。
除此之外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，單車(chē)鉑含量也在下降。根據(jù)莊信萬(wàn)豐（Johnson Matthey）的測(cè)算，海外最新的研究能夠?qū)K用量降至0.06g/kW（約7.06g/輛）。
實(shí)際應(yīng)用上，豐田等第一梯隊(duì)車(chē)企的商業(yè)化車(chē)型用量大約為0.17g/kW（約20g/輛）。國(guó)內(nèi)技術(shù)水平則為0.3g/kW（約35.3g/輛）。 活性衰減方面，海外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3萬(wàn)次循環(huán)后衰減在5%以?xún)?nèi)；國(guó)內(nèi)3千次循環(huán)后衰減達(dá)到86%。
通過(guò)非鉑催化劑的研發(fā)和降低鉑催化劑的用鉑量。二者共同作用下，鉑的稀缺性將得到有效緩解，不再成為產(chǎn)業(yè)鏈卡脖子環(huán)節(jié)。 我國(guó)鉑催化劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為滯后，以進(jìn)口為主。
據(jù)海關(guān)總署數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)貴金屬催化劑進(jìn)口數(shù)量為6179噸，出口數(shù)量為1715噸，進(jìn)口金額為14.21億美元，出口金額為2.23億美元。
日本田中貴金屬、英國(guó)莊信萬(wàn)豐和比利時(shí)優(yōu)美科，是全球較大的幾家燃料電池催化劑供應(yīng)商，技術(shù)較為領(lǐng)先，產(chǎn)品性能優(yōu)異。
不過(guò)，隨著氫能源的推廣，我國(guó)企業(yè)紛紛踏入催化劑領(lǐng)域。以中科科創(chuàng)、貴研鉑業(yè)（600459）、蘇州擎動(dòng)科技等為代表。
其中，貴研鉑業(yè)與上海汽車(chē)集團(tuán)合作已經(jīng)研發(fā)出鉑基催化劑。
蘇州擎動(dòng)科技實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首個(gè)鉑合金催化量產(chǎn)，其開(kāi)發(fā)的鉑合金催化劑，能夠?qū)⑷剂想姵氐你K消耗量降低7%。
04 質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)替代可期
膜電極的關(guān)鍵零部件除了鉑催化劑外還有質(zhì)子交換膜。
目前質(zhì)子交換膜有多種技術(shù)方案，不過(guò)以全氟磺酸膜為主流。 理解這個(gè)名字其實(shí)并不難，透過(guò)生產(chǎn)流程，借助分子式便可以解惑。
因?yàn)樯a(chǎn)全氟磺酸膜的基礎(chǔ)材料是螢石。螢石分子式為CaF2，與硫酸(H2SO4)反應(yīng)形成氫氟酸（HF），之后進(jìn)行一系列的反應(yīng)制成全氟磺酸膜。
正是由于全氟磺酸膜的化學(xué)性質(zhì)，使得其性能、穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于同類(lèi)產(chǎn)品，脫穎而出。
與鉑催化劑一樣，全氟磺酸膜產(chǎn)能主要集中在海外，以美國(guó)戈?duì)枴⒖颇?、陶氏?M公司為主。
據(jù)高工氫電統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的膜電極，目前多數(shù)使用戈?duì)柕脑鰪?qiáng)復(fù)合膜，市占率在90%以上。
顯而易見(jiàn)，全氟磺酸膜也是氫能源燃料電池又一個(gè)國(guó)產(chǎn)替代的關(guān)鍵。 國(guó)內(nèi)以東岳集團(tuán)（00189.HK）、科潤(rùn)新材料、浙江漢丞等企業(yè)為代表。其中，東岳集團(tuán)已具備燃料電池交換膜規(guī)?；慨a(chǎn)的能力，實(shí)現(xiàn)批量供貨?？茲?rùn)新材料、浙江漢丞已實(shí)現(xiàn)小批量供貨。
產(chǎn)能方面，東岳150萬(wàn)平米生產(chǎn)線(xiàn)和科潤(rùn)100萬(wàn)平米項(xiàng)目陸續(xù)展開(kāi)。隨著技術(shù)突破、產(chǎn)能落地，質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)替代可期。
05 結(jié)語(yǔ)
氫能源車(chē)的零部件與整車(chē)同等重要，產(chǎn)業(yè)鏈坡長(zhǎng)雪厚，發(fā)展方興未艾。
國(guó)產(chǎn)替代浪潮勢(shì)必來(lái)臨，未來(lái)將誕生出一批優(yōu)秀的企業(yè)。
因此，本篇文章主要對(duì)氫能源車(chē)的燃料電池進(jìn)行研究，重點(diǎn)放在了核心零部件鉑催化劑和質(zhì)子交換膜上。
當(dāng)然，想必各位讀者對(duì)氫能源整車(chē)的研究會(huì)更感興趣，后續(xù)將推出該系列的文章，敬請(qǐng)期待。