APP下载
报价宝  ›  资讯  › 

燃料电池困在成本里…… 了吗？

报价宝 来源：baojiabao.com 发布时间：2022-12-21 17:02:38 09月10日更新
报价宝综合消息燃料电池困在成本里…… 了吗？

"绿色电池""终极能源""清洁发电厂""超级发电机"…… 燃料电池曾获得来自科学界诸多褒奖。

誉满全球的技术，也有人看衰。

2022 年 1 月，德国一独立研究机构在 Nature 上刊文，指出燃料电池商业化进度太慢了。在日益紧迫的碳中和压力面前，燃料电池汽车要么立刻投产，要么立刻出局，并呼吁投资者们把有限的资源投入纯电汽车研发。[1]

对于这个观点，马斯克想必十分赞成。他曾不止一次地公开批判燃料电池，认为它"极其愚蠢"，完全"无法跟锂电池相提并论"。

合着全世界都在锂电池上吊死呗？

友情提示一下，全球已探明可供开采的锂资源储量仅能满足 14.8 亿辆电动汽车，而作为替代的钠离子电池，商业化进程不见得就比燃料电池更快。

燃料电池究竟有没有那么"不堪"？还得亲自看看才有答案。

昂贵的"玩具"

马斯克并非尬黑，燃料电池确有诸多技术和产业链问题未解决，比如他提到的制氢难度大、液氢运输风险高和配套加氢站建设不足等。

站在商人的角度，成本才是燃料电池商业化路上最大的绊脚石。

20 世纪 30 年代，英国工程师弗朗西斯・托马斯・培根（Francis Thomas Bacon）在前人对"气体伏打电池"的想法基础上进行改进，制作出世界上第一个燃料电池。这种电池以氢氧化钠为电解质，消耗氢气和氧气来发电 [2]。1960 年，美国飞机发动机制造商普惠公司（Pratt & Whitney）获得了培根的专利授权。

因为这种电池的发电效率高达 70%，并且唯一产物水还可供饮用，燃料电池因此获得了 NASA 的垂青，与普惠公司签订合同，将燃料电池用于阿波罗登月任务。[3]

有了应用场景，燃料电池技术也迅速发展，诞生出多条技术路线，如：

按电解质类别不同，可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。

按燃料类别和反应机理不同，又可分为氢型、碳型、氮型和有机物型燃料电池，其中以氢气、甲醇、联氨、一氧化碳等为燃料的电池统称为氢氧燃料电池，还有以铝、镁、锂和锌等轻金属为燃料的金属燃料电池；

另外按电池工作温度不同，还可分为高温燃料电池、中温燃料电池和常温燃料电池。

其中，因氢气热值高、零排放，氢燃料电池成为"双碳"背景下的主流方案。而氢燃料电池的诸多技术路线中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具备高功率密度、高能量转换效率、低运行温度、清洁环保等优势，商业化进展最快。

但应用场景和丰富的技术路线未能推动燃料电池起飞，居高不下的制造成本拖了后腿。

基准矿物情报机构 Benchmark Mineral Intelligence 数据显示，到 2020 年底，锂电池的平均成本已降至 110 美元 / kWh，一般电动车电池容量在 50kWh~90kWh 之间，跟内燃机比起来也相当有竞争力 [4]。而在 2021 年第三届未来能源大会上，中国科学院院士欧阳明高表示，目前燃料电池系统成本为 5000 元 / kW[5]。

以 2022 款特斯拉 Model 3 后驱版为例，该车采用 60kWh 的磷酸铁锂电池，成本为 6600 美元，约合 4.4 万元人民币，但若想用燃料电池实现 202kW 的电动机功率，成本将高达 101 万元人民币。

正因如此，纵使车企对燃料电池无比心动 -- 戴姆勒、福特、日产、本田、通用纷纷宣布研发氢燃料电池汽车，但 2018 年以来又陆续放弃。

至少到目前为止，燃料电池还只是一种"昂贵的玩具"。

燃料电池到底贵在哪？我们以质子交换膜燃料电池为例，看看它的成本分布。

国融证券 2022 年研报显示，燃料电池系统包括电堆、空气压缩机和其它三个部分，分别占总成本的 62%、16% 和 22%。占比最高的电堆部分又可分为催化剂、质子交换膜（电解质）、双极板、气体扩散层和其它 5 类 [6]。而催化剂、质子交换膜和双极板，正是导致燃料电池成本居高不下的关键因素。

燃料电池工作时要用到铂基催化剂，并且电池功率越大，需要的铂就越多。银河证券研报显示，丰田在 2014 年发布的氢燃料电池 SUV 车型，单车消耗 100g 铂，仅这一种原材料的成本便超 2 万元人民币 [7]。

质子交换膜相当于电池的电解质，是一种能够传导质子、隔绝氢气和氧气的半透膜。目前主流的质子交换膜是有全氟化聚合物材料合成，这种材料稳定性好、寿命长，但生产难度大，价格也不便宜。

中航证券 2022 年研报显示，20cm*20cm (0.04m2) 规格的杜邦质子交换膜价格为 899 元 [8]。一般生产每辆氢燃料电池汽车至少需要 20 平米质子交换膜，约合 22.5 万元 [9]。

双极板方面，该部件的作用是隔离阳极阴极气体，多采用无孔石墨板，因其生产需精密加工，一块 500 平方厘米的双极板加工费不低于 100 美元 [9]。氢燃料电池商用车所使用的石墨双极板市场价约为为 150 元左右一组，而一辆功率为 75 千瓦的商用车需要 300 组双极板，成本高达 4.5 万元 [10]。

另外，燃料电池汽车专用的驱动电机和液氢储存罐，也增加了燃料电池汽车的成本。

虽说成本确实限制了燃料电池的发展，但也不至于一板砖拍死，毕竟能源行业早期都是吃补贴的大户，而锂电池电动车对补贴的依赖更有过之而无不及。

根据银河证券的测算，燃料电池若想在性价比上超越内燃机，至少要把成本压缩到 330 元 / kW[7]。

但是从 5000 元 / kW 到 330 元 / kW，相当于把成本降为原本的 1/15，这现实吗？

用不起就换

燃料电池的商业化，上世纪末业已开始。

1998 年，伦敦一家名为零排放汽车（ZEVCO）的车企，造出了一款功率为 5kW 的燃料电池出租车 [11]。

在那个只有宇宙飞船才用得起燃料电池的时代，ZEVCO 创造性地使用钴催化剂代原本的铂，以此降低成本 [3]。但因其性能不如铂催化剂，ZEVCO 没能开启燃料电池汽车的繁荣时代，反而在快速发展的燃油汽车面前越发弱势。最终，公司在 2009 年宣布解散 [12]。

ZEVCO 没能开个好头，但业界对燃料电池的技术研发未曾停下。

前文提到，催化剂、质子交换膜和双极板是燃料电池成本的大头，而降本的关键也在这里。

催化剂

燃料电池的催化剂有三大类：铂催化剂、低铂催化剂和非铂催化剂。

最早，燃料电池用的都是铂催化剂。铂是一种优秀的吸氢材料，能吸附并促进氢气分子解离。因其催化活性很高，直到现在还是商用的燃料电池的首选催化剂。

好用是好用，就是价格太高。铂金 2022 年以来，现货铂金的价格在 195 元~252 元 / 克之间浮动 [13]。

储量也太少。美国地质调查局（USGS）2019 年数据显示，全球已探明的铂资源储量为 6.9 万吨，而且开采量稀少，近 10 年只有 181 吨~204 吨 / 年 [14]。

此外，铂基催化剂的使用寿命也不长。铂在充放电过程中会出现元素溶解现象，其纳米颗粒会在电解系中团聚、流失，而氢燃料中残留的一氧化碳也会使铂"中毒"失活，加速燃料电池老化，无形中增加了燃料电池的使用成本。

想降低催化剂的成本，有两个思路 -- 降低铂的用量或者换成其它材料，也就是前文提到的低铂催化剂和非铂催化剂。

低铂催化剂就是通过改变催化剂结构降低铂的用量，主要有核壳结构和纳米结构两个研究方向。其中，前者一般用成本较低的材料作为催化材料的"内核"起辅助作用，作为"壳"的金属铂包裹在外，降低铂金用量；后者则把过渡金属和铂结合，形成二元或多元合金，提升铂的比表面积和表面活性 [15]。

根据国融证券 2022 年的研报，目前国内的低铂催化剂已将铂金载量降至 0.3g / kW，但是距海外的 0.06g / kW 仍有较大差距 [6]。

非铂催化剂则有三个研究方向，分别为：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂，三者性能各有优劣，但现阶段均难以在商用场景代替铂基催化剂。

▲ 三种催化剂优缺点

制表 | 果壳硬科技、来源 | 东方证券 [16]

其中，过渡金属-氮-碳化合物催化剂的优点多，前景相对更好。学界也在尝试改进，降本增效。

2022 年，康奈尔大学埃米尔・查莫特（ÉmileM . Chamot）团队发现碳负载的氮化钴（Co3N / C）催化剂的催化效率与铂几乎相同，而成本只有后者的 1/475，未来有望取代铂基催化剂，实现商用 [17]。

质子交换膜

按照含氟量不同，质子交换膜也分为全氟磺酸膜（全氟质子交换膜）、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等类别。

其中，全氟磺酸膜的稳定性相对更高、使用寿命更长，成为质子交换膜的主流材料。但该材料工艺流程复杂，开发和生产的技术壁垒极高，因此售价也相当昂贵。

制作质子交换膜有一个重要的原料，是全氟磺酸树脂。美国的杜邦、比利时索尔维和日本的旭化成三家公司垄断了全氟磺酸树脂 90% 以上的产能，中国对该原料的进口依赖度高达 99%[8]。

国内仅山东东岳和江苏科润能够生产全氟磺酸树脂，虽然产能不高，但均已规划新建产线。近年来随着技术更迭，山东东岳生产的质子交换膜，寿命从 2014 年的 800 小时提升到现在的 6000 小时 [18]。

中航证券预测，未来 30 年质子交换膜的成本还会不断降低，从 2020 年的 1200 元 / 平米，降至 2050 年的 250 元 / 平米 [8]。

双极板

石墨双极板耐腐蚀、导电性好，但也并非不可替代。金属和复合材料的双极板可能是更好的选择。

国外已在部分场景下，用表面改性的的多涂层结构金属双极板替代质重、易碎的石墨双极板。国内方面，治臻新能源与上海交通大学共同研制的金属双极板正处于试制阶段，但成本较高，约为国外的 20 倍 [19]。

另外，复合材料双极板在成本和性能方便也颇具优势。

总之，随着材料工艺不断迭代，燃料电池成本近几年迅速下降。据国金证券测算，待规模化量产后，燃料电池车的成本将降低 60%，并且未来还会随着国产化进程持续下降 [19]。这让车企再次对燃料电池蠢蠢欲动 --

2022 年 4 月，现代 NEXO 获得北京新能源牌照，成为国内首款氢燃料电池汽车；

同月，长安汽车发布深蓝 C385，便包括氢燃料电池版本；

今年 6 月，丰田汽车被曝将在 2023 年生产继 Mirai 之后的第二款氢能燃料电池汽车。

车企们的乐观，也给国内创业公司带来了机会。

科学家带"技"下海

资料显示，燃料电池技术在 2018 年还主要掌握在国外大厂和央企手里，而国内的雄韬氢雄、新源动力和亿华通等主流燃料电池商，订单往往来自政府采购 [20]。

在专利方面，智慧芽数据显示全球燃料电池相关专利几乎被美日韩三国垄断。专利申请数量排名前二十的申请人中，只有中国科学院大连化学物理研究所一家中国机构。另外，排名前五十的申请人还有清华大学、华南理工大学和浙江大学。

▲ 全球燃料电池相关专利申请人 Top20

果壳硬科技制图 | 来源：智慧芽

好在自带专利的高校科学家纷纷下海，给行业带来新的变化。

2016 年，浙江大学博士周鸿波团队成立的氢途科技，专注于燃料电池发动机的研发，产品如今已在湖北、广东、四川、山西等地商业化运营。骥翀氢能创始人付宇，博士毕业于中科院大连化学物理研究所，而骥翀氢能现为国内有能力量产金属双极板的两家公司之一。

西方国家反而对燃料电池越发冷静。

德勤 2022 年的一篇商业分析提到，氢燃料电池领域的投资正在从欧美向亚洲转移 [21]。

相关数据显示，2021 年至今，全球燃料电池行业共发生 46 起融资事件。另外，国外方面单笔融资额最高的是美国公司 FirstElement Fuel，D 轮融资额为 1.05 亿美元。而成立不到三年的中国公司未势能源，在 A 轮便获得国投招商和人保资本领投的超 9 亿元人民币 A 轮融资。

天使轮融资数千万元、A 轮融资数亿元，这在国内燃料电池行业已屡见不鲜。

繁荣的投融资背后，中国在全球氢燃料电池汽车市场中份额也水涨船高，全球有 10% 的燃料电池汽车正在使用产自中国的电堆 [22]。

这是否说明，燃料电池已经被发达国家放弃？

是死是活，且看临门一脚

现在说放弃为时尚早。

据海外电动车媒体 InsideEVs 统计，2021 年燃料电池汽车销量在连续两年下滑后反弹，以 3341 台的年销量创历史新高 [23]。

虽然基数很低，但前景甚好。

分析机构 ResearchAndMarkets 报告显示，现在正是扩大燃料电池市场的时机。未来 5 年，美国燃料电池汽车市场将以 19.14% 的 CAGR 增长，到 2027 年达 3.22 亿美元 [24]。

国内方面，国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》提到，要在 2025 年之前，实现燃料电池车辆保有量约 5 万辆。到 2030 年，氢能将成为碳达峰的有力支撑 [25]。

国内对燃料电池的未来还相当看好。

另外，燃料电池在特种车辆上的也相当具有应用前景。6 月 17 日，一汽解放 300 辆氢燃料电池重卡发车。两日后，沃尔沃也宣布测试全球第一台氢燃料电池铰接式卡车。

2018 年底，前一汽集团技术研究院副院长、小鹏汽车副总裁刘明辉公开表示，"燃料电池将在 2025 年前后与动力电池 PK。"[26]

年近百岁的燃料电池，距离命运的路口只差临门一脚，现在给它盖棺定论，怕是早了一些。

参考

本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：杨景诒 编辑: 李拓

文章标签： 电池 燃料 催化 催化剂 成本 汽车 质子 极板 材料 技术 研究 全球 公司 证券 金属 产业 商业 氢能 行业 中国 报价宝 降噪耳机价格 耳机价格 红米手机价格 华为手机价格 小米手机价格 电视机价格 笔记本电脑价格 笔记本价格 汽车价格 报价宝 手机价格 汽车价格 小米手机价格 耳机价格

相关文章