新能源車的心臟是鋰電池，同樣的，氫能源車的核心零部件也是電池。試想，有一臺這樣的車，比新能源車更環(huán)保，動力也更強，充能只需五分鐘，續(xù)航超過1000KM，不受冬天能耗影響。簡單說，集合了新能源車和燃油車的優(yōu)點。
不難猜測，這種車便是氫能源車。雖然技術(shù)未曾落地，但各國政府、各路資本紛紛發(fā)力投入這片浩瀚的藍海中，氫能源車的量產(chǎn)正徐徐展開。與此同時，市場對氫能源車產(chǎn)生了諸多問題。比如，氫能源車和新能源車有什么區(qū)別？二者孰優(yōu)孰劣？氫能源車發(fā)展怎么樣了？
繼日前發(fā)布的——推開萬億氫能賽道的第一重門之制氫篇、第二重門儲運篇后，如今，進行該系列第三部——氫能源車已創(chuàng)作完成。前兩篇分別對制氫、儲氫、加氫等技術(shù)進行了研究，本篇文章是對氫能源車上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀，以及未來的技術(shù)路徑進行分析，以解答讀者的困惑。
電池系統(tǒng)是氫能源車的核心
可以說，在氫能源的產(chǎn)業(yè)鏈中，讀者最關(guān)注的無疑是下游氫能源車。從產(chǎn)業(yè)鏈上來看，氫能源車位于下游，是面向終端使用的一個環(huán)節(jié)。同時，也是離消費者最近的一個環(huán)節(jié)。不同于產(chǎn)業(yè)鏈條中化工、機械等冰冷的工業(yè)與技術(shù)，下游應用端天生便俘獲了認知上的好感。
我們每一個人都見證了新能源車替代傳統(tǒng)燃油車的浪潮。殊不知，當每一輪的產(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問題就是工業(yè)落地。這一步不單單是終端面臨消費者打開市場，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。
如同新能源車一樣，沒有鋰電池技術(shù)的落地，就沒有新能源車的如火如荼。沒有平價上網(wǎng)，就沒有光伏的大面積推廣。因此，在氫能源車產(chǎn)業(yè)中，零部件與整車同樣重要。新能源車的心臟是鋰電池，同樣地，氫能源車的核心零部件也是電池。前事不忘，后事之師。我們有必要對氫能源車的電池系統(tǒng)進行深度的研究。
鉑催化劑和質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心
傳統(tǒng)燃油車和新能源車的最大區(qū)別在于動力系統(tǒng)。前者的動力是汽油/柴油在內(nèi)燃機燃燒將熱能轉(zhuǎn)化成動能，而后者則是鋰電池通過化學反應產(chǎn)生電能，將電能轉(zhuǎn)化為動能。氫能源車的動力系統(tǒng)原理，其實更類似于新能源車。
區(qū)別是使用氫氣作為燃料而產(chǎn)生電能，再轉(zhuǎn)化為動能。因此，我們也可以稱氫能源車為氫燃料車或氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車主要由高壓儲氫罐、燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動力電池、驅(qū)動電機和動力控制單元等組成。
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，前者是核心動力組件，后者由空氣壓縮機、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構(gòu)成。根據(jù)國泰君安測算，電堆占據(jù)電池系統(tǒng)成本超過一半。
電堆是什么？想必讀者有些困惑。簡單來講，由于單個燃料電池功率有限，因此往往需要將諸多電池單元進行串聯(lián)，串聯(lián)后的電池組便是電堆。這個道理如同鋰電池一樣，需要將眾多電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再把模組安裝進電池包（Pack）里，才能作為新能源車的動力系統(tǒng)。
電堆的組成比較復雜，由端板、絕緣板、集流板、雙極板、膜電極、緊固件、密封圈這七個部分組成。
圖片來源：DOE
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，被譽為燃料電池的芯片。膜電極可以說是為氫能源車提供動力的主戰(zhàn)場。膜電極一般由質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層與氣體擴散層三個部分組成所謂的“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，而是和氧氣反應轉(zhuǎn)換為電能。氫氣和氧氣的化學反應是非常簡單的，學過初中化學基礎(chǔ)的都應該知道：2H2+O2=2H2O。其工作原理也并不難理解，我們之前講過電解水的原理，氫燃料電池發(fā)電就是電解水的逆反應。
具體來看，在氫燃料電池中，氫氣通過導氣管由電池陽極輸入，在鉑(Pt)的作用下分解為電子和氫離子（質(zhì)子）H2→2H++2e,這一原理被稱為催化反應。鉑由于表面積大，吸附能力強，是現(xiàn)階段最佳的催化劑，同時保證氫氣不直接燃燒。
之后，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達負極，這個質(zhì)子交換膜很厲害，含有多種離子基團，只允許質(zhì)子通過，其作用如同鋰電池的隔膜+電解液，這個技術(shù)也是關(guān)鍵的一點。氫離子與陰極輸入的氧氣反應生成水；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)生電能為汽車供能。
上述的分析可以讓我們了解氫能源車的發(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。
鉑不會成為氫能源車的瓶頸
提到鉑金、白金首飾，自是無人不知、無人不曉。鉑是比黃金更為稀缺的金屬，硬度也高于黃金，穩(wěn)定性較黃金有過之而無不及。從性能來看，其耐腐蝕性以及抗氧化性強。熱膨脹系數(shù)小、熱電穩(wěn)定性強，熔點高達1772℃，延展性良好，催化活性高。由于具有很高的化學穩(wěn)定性，常常被用來制造耐腐蝕的化學儀器，也大量用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，在煉油工業(yè)、汽車等產(chǎn)業(yè)作為催化劑使用。
據(jù)專業(yè)人士計算，每輛氫燃料電池車需要鉑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格做一個粗略的計算，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)貨鉑金價格為975美元，1盎司約為28.35g。那么，一輛氫燃料電池車使用鉑的成本為1719.57美元，1輛大巴成本為3439.15美元。鉑昂貴的價格無疑抬升了氫燃料車的成本。根據(jù)日本NEDO數(shù)據(jù)顯示，電堆成本中催化劑占比高達53%。
數(shù)據(jù)來源：日本NEDO
另一方面，鉑常常以礦物形式存在，開采難度更大，工藝復雜，產(chǎn)量較小。根據(jù)礦業(yè)人才網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，自然界鉑的儲量比黃金還為稀少。據(jù)不完全統(tǒng)計，鉑金總儲量為1.4萬噸。世界鉑金的年產(chǎn)量僅85噸，只有黃金的5%。從產(chǎn)地來看，南非產(chǎn)量占比80%以上，其余以俄羅斯等國家為主，我國鉑金儲量僅300多噸。1盎司鉑金，需從數(shù)十噸鉑金礦石中歷經(jīng)5個月才能提煉出來。
毫無疑問，高昂的價格極大提升了氫能源車的成本，稀缺的上游資源對未來氫能源車大面積推廣構(gòu)成了制約因素。解決上游資源卡脖子的方案無非有二，一為開源，二為節(jié)流。目前應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。
當然，非鉑催化劑是最佳的解決方案。不過，其穩(wěn)定性與Pt基催化劑仍有較大差距。目前，過渡金屬-氮-碳化合物這一技術(shù)路徑得到廣泛認可，具備催化活性、成本和壽命等優(yōu)點，是一條較好的替代方案。世界各國研究機構(gòu)均在非鉑催化劑的技術(shù)領(lǐng)域上積極探索。
據(jù)報告，近期，英國倫敦帝國理工學院開發(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說是廉價并容易獲得的。在實驗室測試中，該團隊表明其性能已經(jīng)接近鉑催化劑。除此之外，隨著技術(shù)的進步，單車鉑含量也在下降。根據(jù)莊信萬豐（Johnson Matthey）的測算，海外最新的研究能夠?qū)K用量降至0.06g/kW（約7.06g/輛）。
實際應用上，豐田等第一梯隊車企的商業(yè)化車型用量大約為0.17g/kW（約20g/輛）。國內(nèi)技術(shù)水平則為0.3g/kW（約35.3g/輛）?；钚运p方面，海外已經(jīng)實現(xiàn)3萬次循環(huán)后衰減在5%以內(nèi)；國內(nèi)3千次循環(huán)后衰減達到86%。通過非鉑催化劑的研發(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)。
我國鉑催化劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為滯后，以進口為主。據(jù)海關(guān)總署數(shù)據(jù)，2021年我國貴金屬催化劑進口數(shù)量為6179噸，出口數(shù)量為1715噸，進口金額為14.21億美元，出口金額為2.23億美元。日本田中貴金屬、英國莊信萬豐和比利時優(yōu)美科，是全球較大的幾家燃料電池催化劑供應商，技術(shù)較為領(lǐng)先，產(chǎn)品性能優(yōu)異。
不過，隨著氫能源的推廣，我國企業(yè)紛紛踏入催化劑領(lǐng)域。以中科科創(chuàng)、貴研鉑業(yè)（600459）、蘇州擎動科技等為代表。其中，貴研鉑業(yè)與上海汽車集團合作已經(jīng)研發(fā)出鉑基催化劑。蘇州擎動科技實現(xiàn)國內(nèi)首個鉑合金催化量產(chǎn)，其開發(fā)的鉑合金催化劑，能夠?qū)⑷剂想姵氐你K消耗量降低7%。
質(zhì)子交換膜國產(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，不過以全氟磺酸膜為主流。理解這個名字其實并不難，透過生產(chǎn)流程，借助分子式便可以解惑。因為生產(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)反應形成氫氟酸（HF），之后進行一系列的反應制成全氟磺酸膜。
正是由于全氟磺酸膜的化學性質(zhì)，使得其性能、穩(wěn)定性遠高于同類產(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，以美國戈爾、科慕、陶氏和3M公司為主。據(jù)高工氫電統(tǒng)計，國內(nèi)生產(chǎn)的膜電極，目前多數(shù)使用戈爾的增強復合膜，市占率在90%以上，顯而易見，全氟磺酸膜也是氫能源燃料電池又一個國產(chǎn)替代的關(guān)鍵。
國內(nèi)以東岳集團（00189.HK）、科潤新材料、浙江漢丞等企業(yè)為代表。其中，東岳集團已具備燃料電池交換膜規(guī)?；慨a(chǎn)的能力，實現(xiàn)批量供貨?？茲櫺虏牧?、浙江漢丞已實現(xiàn)小批量供貨。產(chǎn)能方面，東岳150萬平米生產(chǎn)線和科潤100萬平米項目陸續(xù)展開。隨著技術(shù)突破、產(chǎn)能落地，質(zhì)子交換膜國產(chǎn)替代可期。
結(jié)語
氫能源車的零部件與整車同等重要，產(chǎn)業(yè)鏈坡長雪厚，發(fā)展方興未艾。國產(chǎn)替代浪潮勢必來臨，未來將誕生出一批優(yōu)秀的企業(yè)。因此，本篇文章主要對氫能源車的燃料電池進行研究，重點放在了核心零部件鉑催化劑和質(zhì)子交換膜上。當然，想必各位讀者對氫能源整車的研究會更感興趣，后續(xù)將推出該系列的文章，敬請期待。
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文章來源：阿爾法工場研究院；作者： 滕宇
編輯：云朵匠 | 數(shù)商云(微信ID：shushangyun_com)
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