“綠色電池”“終極能源”“清潔發(fā)電廠”“超級發(fā)電機”…… 燃料電池曾獲得來自科學界諸多褒獎。
譽滿全球的技術，也有人看衰。
2022 年 1 月，德國一獨立研究機構在 Nature 上刊文，指出燃料電池商業(yè)化進度太慢了。在日益緊迫的碳中和壓力面前，燃料電池汽車要么立刻投產，要么立刻出局，并呼吁投資者們把有限的資源投入純電汽車研發(fā)。[1]
對于這個觀點，馬斯克想必十分贊成。他曾不止一次地公開批判燃料電池，認為它“極其愚蠢”，完全“無法跟鋰電池相提并論”。
合著全世界都在鋰電池上吊死唄？
友情提示一下，全球已探明可供開采的鋰資源儲量僅能滿足 14.8 億輛電動汽車，而作為替代的鈉離子電池，商業(yè)化進程不見得就比燃料電池更快。
燃料電池究竟有沒有那么“不堪”？還得親自看看才有答案。
昂貴的“玩具”
馬斯克并非尬黑，燃料電池確有諸多技術和產業(yè)鏈問題未解決，比如他提到的制氫難度大、液氫運輸風險高和配套加氫站建設不足等。
站在商人的角度，成本才是燃料電池商業(yè)化路上最大的絆腳石。
20 世紀 30 年代，英國工程師弗朗西斯?托馬斯?培根（Francis Thomas Bacon）在前人對“氣體伏打電池”的想法基礎上進行改進，制作出世界上第一個燃料電池。這種電池以氫氧化鈉為電解質，消耗氫氣和氧氣來發(fā)電 [2]。1960 年，美國飛機發(fā)動機制造商普惠公司（Pratt & Whitney）獲得了培根的專利授權。
因為這種電池的發(fā)電效率高達 70%，并且唯一產物水還可供飲用，燃料電池因此獲得了 NASA 的垂青，與普惠公司簽訂合同，將燃料電池用于阿波羅登月任務。[3]
有了應用場景，燃料電池技術也迅速發(fā)展，誕生出多條技術路線，如：
按電解質類別不同，可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池。
按燃料類別和反應機理不同，又可分為氫型、碳型、氮型和有機物型燃料電池，其中以氫氣、甲醇、聯氨、一氧化碳等為燃料的電池統(tǒng)稱為氫氧燃料電池，還有以鋁、鎂、鋰和鋅等輕金屬為燃料的金屬燃料電池；
另外按電池工作溫度不同，還可分為高溫燃料電池、中溫燃料電池和常溫燃料電池。
其中，因氫氣熱值高、零排放，氫燃料電池成為“雙碳”背景下的主流方案。而氫燃料電池的諸多技術路線中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）因具備高功率密度、高能量轉換效率、低運行溫度、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，商業(yè)化進展最快。
但應用場景和豐富的技術路線未能推動燃料電池起飛，居高不下的制造成本拖了后腿。
基準礦物情報機構 Benchmark Mineral Intelligence 數據顯示，到 2020 年底，鋰電池的平均成本已降至 110 美元 / kWh，一般電動車電池容量在 50kWh~90kWh 之間，跟內燃機比起來也相當有競爭力 [4]。而在 2021 年第三屆未來能源大會上，中國科學院院士歐陽明高表示，目前燃料電池系統(tǒng)成本為 5000 元 / kW[5]。
以 2022 款特斯拉 Model 3 后驅版為例，該車采用 60kWh 的磷酸鐵鋰電池，成本為 6600 美元，約合 4.4 萬元人民幣，但若想用燃料電池實現 202kW 的電動機功率，成本將高達 101 萬元人民幣。
正因如此，縱使車企對燃料電池無比心動 —— 戴姆勒、福特、日產、本田、通用紛紛宣布研發(fā)氫燃料電池汽車，但 2018 年以來又陸續(xù)放棄。
至少到目前為止，燃料電池還只是一種“昂貴的玩具”。
燃料電池到底貴在哪？我們以質子交換膜燃料電池為例，看看它的成本分布。
國融證券 2022 年研報顯示，燃料電池系統(tǒng)包括電堆、空氣壓縮機和其它三個部分，分別占總成本的 62%、16% 和 22%。占比最高的電堆部分又可分為催化劑、質子交換膜（電解質）、雙極板、氣體擴散層和其它 5 類 [6]。而催化劑、質子交換膜和雙極板，正是導致燃料電池成本居高不下的關鍵因素。
燃料電池工作時要用到鉑基催化劑，并且電池功率越大，需要的鉑就越多。銀河證券研報顯示，豐田在 2014 年發(fā)布的氫燃料電池 SUV 車型，單車消耗 100g 鉑，僅這一種原材料的成本便超 2 萬元人民幣 [7]。
質子交換膜相當于電池的電解質，是一種能夠傳導質子、隔絕氫氣和氧氣的半透膜。目前主流的質子交換膜是有全氟化聚合物材料合成，這種材料穩(wěn)定性好、壽命長，但生產難度大，價格也不便宜。
中航證券 2022 年研報顯示，20cm*20cm (0.04m2) 規(guī)格的杜邦質子交換膜價格為 899 元 [8]。一般生產每輛氫燃料電池汽車至少需要 20 平米質子交換膜，約合 22.5 萬元 [9]。
雙極板方面，該部件的作用是隔離陽極陰極氣體，多采用無孔石墨板，因其生產需精密加工，一塊 500 平方厘米的雙極板加工費不低于 100 美元 [9]。氫燃料電池商用車所使用的石墨雙極板市場價約為為 150 元左右一組，而一輛功率為 75 千瓦的商用車需要 300 組雙極板，成本高達 4.5 萬元 [10]。
另外，燃料電池汽車專用的驅動電機和液氫儲存罐，也增加了燃料電池汽車的成本。
雖說成本確實限制了燃料電池的發(fā)展，但也不至于一板磚拍死，畢竟能源行業(yè)早期都是吃補貼的大戶，而鋰電池電動車對補貼的依賴更有過之而無不及。
根據銀河證券的測算，燃料電池若想在性價比上超越內燃機，至少要把成本壓縮到 330 元 / kW[7]。
但是從 5000 元 / kW 到 330 元 / kW，相當于把成本降為原本的 1/15，這現實嗎？
用不起就換
燃料電池的商業(yè)化，上世紀末業(yè)已開始。
1998 年，倫敦一家名為零排放汽車（ZEVCO）的車企，造出了一款功率為 5kW 的燃料電池出租車 [11]。
在那個只有宇宙飛船才用得起燃料電池的時代，ZEVCO 創(chuàng)造性地使用鈷催化劑代原本的鉑，以此降低成本 [3]。但因其性能不如鉑催化劑，ZEVCO 沒能開啟燃料電池汽車的繁榮時代，反而在快速發(fā)展的燃油汽車面前越發(fā)弱勢。最終，公司在 2009 年宣布解散 [12]。
ZEVCO 沒能開個好頭，但業(yè)界對燃料電池的技術研發(fā)未曾停下。
前文提到，催化劑、質子交換膜和雙極板是燃料電池成本的大頭，而降本的關鍵也在這里。
催化劑
燃料電池的催化劑有三大類：鉑催化劑、低鉑催化劑和非鉑催化劑。
最早，燃料電池用的都是鉑催化劑。鉑是一種優(yōu)秀的吸氫材料，能吸附并促進氫氣分子解離。因其催化活性很高，直到現在還是商用的燃料電池的首選催化劑。
好用是好用，就是價格太高。鉑金 2022 年以來，現貨鉑金的價格在 195 元~252 元 / 克之間浮動 [13]。
儲量也太少。美國地質調查局（USGS）2019 年數據顯示，全球已探明的鉑資源儲量為 6.9 萬噸，而且開采量稀少，近 10 年只有 181 噸~204 噸 / 年 [14]。
此外，鉑基催化劑的使用壽命也不長。鉑在充放電過程中會出現元素溶解現象，其納米顆粒會在電解系中團聚、流失，而氫燃料中殘留的一氧化碳也會使鉑“中毒”失活，加速燃料電池老化，無形中增加了燃料電池的使用成本。
想降低催化劑的成本，有兩個思路 —— 降低鉑的用量或者換成其它材料，也就是前文提到的低鉑催化劑和非鉑催化劑。
低鉑催化劑就是通過改變催化劑結構降低鉑的用量，主要有核殼結構和納米結構兩個研究方向。其中，前者一般用成本較低的材料作為催化材料的“內核”起輔助作用，作為“殼”的金屬鉑包裹在外，降低鉑金用量；后者則把過渡金屬和鉑結合，形成二元或多元合金，提升鉑的比表面積和表面活性 [15]。
根據國融證券 2022 年的研報，目前國內的低鉑催化劑已將鉑金載量降至 0.3g / kW，但是距海外的 0.06g / kW 仍有較大差距 [6]。
非鉑催化劑則有三個研究方向，分別為：鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑，三者性能各有優(yōu)劣，但現階段均難以在商用場景代替鉑基催化劑。
▲ 三種催化劑優(yōu)缺點
制表 | 果殼硬科技、來源 | 東方證券 [16]
其中，過渡金屬-氮-碳化合物催化劑的優(yōu)點多，前景相對更好。學界也在嘗試改進，降本增效。
2022 年，康奈爾大學埃米爾?查莫特（émileM . Chamot）團隊發(fā)現碳負載的氮化鈷（Co3N / C）催化劑的催化效率與鉑幾乎相同，而成本只有后者的 1/475，未來有望取代鉑基催化劑，實現商用 [17]。
質子交換膜
按照含氟量不同，質子交換膜也分為全氟磺酸膜（全氟質子交換膜）、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、復合膜等類別。
其中，全氟磺酸膜的穩(wěn)定性相對更高、使用壽命更長，成為質子交換膜的主流材料。但該材料工藝流程復雜，開發(fā)和生產的技術壁壘極高，因此售價也相當昂貴。
制作質子交換膜有一個重要的原料，是全氟磺酸樹脂。美國的杜邦、比利時索爾維和日本的旭化成三家公司壟斷了全氟磺酸樹脂 90% 以上的產能，中國對該原料的進口依賴度高達 99%[8]。
國內僅山東東岳和江蘇科潤能夠生產全氟磺酸樹脂，雖然產能不高，但均已規(guī)劃新建產線。近年來隨著技術更迭，山東東岳生產的質子交換膜，壽命從 2014 年的 800 小時提升到現在的 6000 小時 [18]。
中航證券預測，未來 30 年質子交換膜的成本還會不斷降低，從 2020 年的 1200 元 / 平米，降至 2050 年的 250 元 / 平米 [8]。
雙極板
石墨雙極板耐腐蝕、導電性好，但也并非不可替代。金屬和復合材料的雙極板可能是更好的選擇。
國外已在部分場景下，用表面改性的的多涂層結構金屬雙極板替代質重、易碎的石墨雙極板。國內方面，治臻新能源與上海交通大學共同研制的金屬雙極板正處于試制階段，但成本較高，約為國外的 20 倍 [19]。
另外，復合材料雙極板在成本和性能方便也頗具優(yōu)勢。
總之，隨著材料工藝不斷迭代，燃料電池成本近幾年迅速下降。據國金證券測算，待規(guī)?；慨a后，燃料電池車的成本將降低 60%，并且未來還會隨著國產化進程持續(xù)下降 [19]。這讓車企再次對燃料電池蠢蠢欲動 ——
2022 年 4 月，現代 NEXO 獲得北京新能源牌照，成為國內首款氫燃料電池汽車；
同月，長安汽車發(fā)布深藍 C385，便包括氫燃料電池版本；
今年 6 月，豐田汽車被曝將在 2023 年生產繼 Mirai 之后的第二款氫能燃料電池汽車。
車企們的樂觀，也給國內創(chuàng)業(yè)公司帶來了機會。
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資料顯示，燃料電池技術在 2018 年還主要掌握在國外大廠和央企手里，而國內的雄韜氫雄、新源動力和億華通等主流燃料電池商，訂單往往來自政府采購 [20]。
在專利方面，智慧芽數據顯示全球燃料電池相關專利幾乎被美日韓三國壟斷。專利申請數量排名前二十的申請人中，只有中國科學院大連化學物理研究所一家中國機構。另外，排名前五十的申請人還有清華大學、華南理工大學和浙江大學。
▲ 全球燃料電池相關專利申請人 Top20
果殼硬科技制圖 | 來源：智慧芽
好在自帶專利的高?？茖W家紛紛下海，給行業(yè)帶來新的變化。
2016 年，浙江大學博士周鴻波團隊成立的氫途科技，專注于燃料電池發(fā)動機的研發(fā)，產品如今已在湖北、廣東、四川、山西等地商業(yè)化運營。驥翀氫能創(chuàng)始人付宇，博士畢業(yè)于中科院大連化學物理研究所，而驥翀氫能現為國內有能力量產金屬雙極板的兩家公司之一。
西方國家反而對燃料電池越發(fā)冷靜。
德勤 2022 年的一篇商業(yè)分析提到，氫燃料電池領域的投資正在從歐美向亞洲轉移 [21]。
相關數據顯示，2021 年至今，全球燃料電池行業(yè)共發(fā)生 46 起融資事件。另外，國外方面單筆融資額最高的是美國公司 FirstElement Fuel，D 輪融資額為 1.05 億美元。而成立不到三年的中國公司未勢能源，在 A 輪便獲得國投招商和人保資本領投的超 9 億元人民幣 A 輪融資。
天使輪融資數千萬元、A 輪融資數億元，這在國內燃料電池行業(yè)已屢見不鮮。
繁榮的投融資背后，中國在全球氫燃料電池汽車市場中份額也水漲船高，全球有 10% 的燃料電池汽車正在使用產自中國的電堆 [22]。
這是否說明，燃料電池已經被發(fā)達國家放棄？
是死是活，且看臨門一腳
現在說放棄為時尚早。
據海外電動車媒體 InsideEVs 統(tǒng)計，2021 年燃料電池汽車銷量在連續(xù)兩年下滑后反彈，以 3341 臺的年銷量創(chuàng)歷史新高 [23]。
雖然基數很低，但前景甚好。
分析機構 ResearchAndMarkets 報告顯示，現在正是擴大燃料電池市場的時機。未來 5 年，美國燃料電池汽車市場將以 19.14% 的 CAGR 增長，到 2027 年達 3.22 億美元 [24]。
國內方面，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合印發(fā)的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》提到，要在 2025 年之前，實現燃料電池車輛保有量約 5 萬輛。到 2030 年，氫能將成為碳達峰的有力支撐 [25]。
國內對燃料電池的未來還相當看好。
另外，燃料電池在特種車輛上的也相當具有應用前景。6 月 17 日，一汽解放 300 輛氫燃料電池重卡發(fā)車。兩日后，沃爾沃也宣布測試全球第一臺氫燃料電池鉸接式卡車。
2018 年底，前一汽集團技術研究院副院長、小鵬汽車副總裁劉明輝公開表示，“燃料電池將在 2025 年前后與動力電池 PK?！?sup>[26]
年近百歲的燃料電池，距離命運的路口只差臨門一腳，現在給它蓋棺定論，怕是早了一些。
參考
[1] Pl?tz, P. Hydrogen technology is unlikely to play a major role in sustainable road transport. Nat Electron 5, 8–10 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00706-6
[2] Grove’s gaseous voltaic battery 2020.6.5 https://www.chemistryworld.com/opinion/groves-gaseous-voltaic-battery/4011756.article
[3] Alkali Fuel Cells https://americanhistory.si.edu/fuelcells/alk/alkmain.htm
[4] LITHIUM ION BATTERY CELL PRICES FALL TO $110/KWH, BUT RAW MATERIAL RISK LOOMS LARGE 2020.12.1 https://www.benchmarkminerals.com/membership/lithium-ion-battery-cell-prices-fall-to-110-kwh-but-raw-material-risk-looms-large-2/
[5] 歐陽明高：未來十年燃料電池系統(tǒng)成本將降八成 2021.7.9 https://www.caixin.com/ 2021-07-09/101738033.html
[6] 實現零碳重要抓手，產業(yè)藍圖逐漸明朗 —— 氫燃料電池行業(yè)深度報告 2022.4.11 https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202204131558956078_1.pdf?1649842096000.pdf
[7] 燃料電池汽車全產業(yè)鏈深度研究：政策為帆，“氫”心起航 2016.5.27 http://pg.jrj.com.cn/ acc / Res / CN_RES / INDUS / 2016/5/27 / a180c812-ac17-4546-9b0e-23f687a15f70.pdf
[8] 氫能新材料行業(yè)深度：政策引導需求爆發(fā)，未來可期 2022.3.23 https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202203241554746021_1.pdf?1648157953000.pdf
[9] 新能源汽車行業(yè)：產業(yè)化臨近，燃料電池時代將至 2016.7.20 http://qccdata.qichacha.com/ ReportData / PDF / e3b46a6ceebc8831a1b8abe53dcc1849.pdf
[10] 攻克氫燃料電池產業(yè)化關鍵痛點 2022.2.19 https://www.dailyqd.com/ 3g / html / 2022-02/19 / content_333387.htm
[11] ZeTek Efforts on Fuel Cell London Cabs Reach Back to 1998 2010.8.8 https://www.greencarcongress.com/2010/08/zetek-201000808.html
[12] ZETEK POWER PLC https://www.companieslondon.com/uk/03681503/zetek-power-plc
[13] 上海黃金交易所交易行情 https://www.sge.com.cn/ sjzx / mrhqsj / 10003147
[14] 2017 Minerals Yearbook https://pubs.usgs.gov/myb/vol1/2017/myb1-2017-copper.pdf
[15] 《科學》：鉑納米催化劑研究獲重大突破 2016.11.18 https://news.sciencenet.cn/ htmlnews / 2016/11/361323.shtm
[16] 燃料電池迎春風 材料國產化待突破 —— 燃料電池材料系列報告（一） 2016.7.25 http://www.invest-data.com/ eWebEditor / uploadfile / 2018040919235187049515.pdf
[17] Nonprecious transition metal nitrides as efficient oxygen reduction electrocatalysts for alkaline fuel cells 2022.2.2 https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abj1584?cookieSet=1
[18] 從 15 微米到 8 微米 中外質子交換膜至少還有 5 年的差距！2019.8.22 https://www.gg-lb.com/ asdisp2--38602-.html
[19] 成本下降路徑：國產化、規(guī)模經濟和技術進步 —— 燃料電池系列研究之 PEMFC 2016.11.10 http://www.invest-data.com/ eWebEditor / uploadfile / 2018040410505414016446.pdf
[20] 盤點國內主流燃料電池商：都在做政府生意 2018.12.26 https://mp.weixin.qq.com/ s / Du3vSa0iyVrWXniCernIow
[21] Venture capital is betting on hydrogen to be the surprise of the decade https://www2.deloitte.com/nl/nl/pages/energy-resources-industrials/articles/venture-capital-betting-on-hydrogen.html
[22] China has discreetly taken 10 per cent of the world’s market for hydrogen fuel-cell vehicles. Here’s a look at the company leading the charge 2022.5.28 https://www.scmp.com/business/china-business/article/3179447/china-has-discreetly-taken-10-cent-worlds-market-hydrogen
[23] US: Hydrogen Fuel Cell Car Sales Rebounded In 2021 2022.2.5 https://insideevs.com/news/565185/us-hydrogen-car-sales-2021/
[24] United States Hydrogen Fuel Cell Vehicle Markets, 2022-2027 by Technology, Vehicle Type, Competitive Analysis and the Impact of Covid-19 with Ansoff Analysis - ResearchAndMarkets.com 2022.6.13 https://www.businesswire.com/news/home/20220613005551/en/United-States-Hydrogen-Fuel-Cell-Vehicle-Markets-2022-2027-by-Technology-Vehicle-Type-Competitive-Analysis-and-the-Impact-of-Covid-19-with-Ansoff-Analysis---ResearchAndMarkets.com
[25] 《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》 https://www.ndrc.gov.cn/ xxgk / zcfb / ghwb / 202203 / P020220323314396580505.pdf
[26] 小鵬劉明輝：2025 年燃料電池將 PK 動力鋰電池 2018.12.20 https://mp.weixin.qq.com/ s / NLjmMUcB_pLJ4vZVSeNOiA
本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：楊景詒 編輯: 李拓
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