燃料電池困在成本里……了嗎?

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果殼硬科技 (ID:guokr233)

,作者:楊景詒,編輯:李拓,頭圖來自:視覺中國

“綠色電池”“終極能源”“清潔發電廠”“超級發電機”……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,燃料電池汽車要麼立刻投產,要麼立刻出局,並呼籲投資者們把有限的資源投入純電汽車研發。

[1]

對於這個觀點,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“無法跟鋰電池相提並論”。

合著全世界都在鋰電池上吊死唄?

友情提示一下,全球已探明可供開採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,商業化程序不見得就比燃料電池更快。

燃料電池究竟有沒有那麼“不堪”?還得親自看看才有答案。

一、昂貴的“玩具”

馬斯克並非尬黑,燃料電池確有諸多技術和產業鏈問題未解決,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,製作出世界上第一個燃料電池。這種電池以氫氧化鈉為電解制,消耗氫氣和氧氣來發電

[2]

。1960年,美國飛機發動機制造商普惠公司

(Pratt & Whitney)

獲得了培根的專利授權。

因為這種電池的發電效率高達70%,並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,將燃料電池用於阿波羅登月任務。

[3]

有了應用場景,燃料電池技術也迅速發展,誕生出多條技術路線,如:

按電解質類別不同

,可分為鹼性燃料電池、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、低執行溫度、清潔環保等優勢,商業化進展最快。

但應用場景和豐富的技術路線未能推動燃料電池起飛,居高不下的製造成本拖了後腿。

基準礦物情報機構Benchmark Mineral Intelligence資料顯示,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,目前燃料電池系統成本為5000元/kW

[5]

以2022款特斯拉Model 3後驅版為例,該車採用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、通用紛紛宣佈研發氫燃料電池汽車,但2018年以來又陸續放棄。

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,看看它的成本分佈。

國融證券2022年研報顯示,燃料電池系統包括電堆、空氣壓縮機和其它三個部分,分別佔總成本的62%、16%和22%。佔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。

燃料電池困在成本里……了嗎?

燃料電池工作時要用到鉑基催化劑,並且電池功率越大,需要的鉑就越多。銀河證券研報顯示,豐田在2014年釋出的氫燃料電池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

相當於電池的電解質,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。04m

2

規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平方釐米的雙極板加工費不低於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展,但也不至於一板磚拍死,畢竟能源行業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,燃料電池若想在價效比上超越內燃機,至少要把成本壓縮到330元/kW

[7]

但是從5000元/kW到330元/kW,相當於把成本降為原本的1/15,這現實嗎?

二、用不起就換

燃料電池的商業化,上世紀末業已開始。

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的燃料電池計程車

[11]

在那個只有宇宙飛船才用得起燃料電池的時代,ZEVCO創造性地使用鈷催化劑代原本的鉑,以此降低成本

[3]

。但因其效能不如鉑催化劑,ZEVCO沒能開啟燃料電池汽車的繁榮時代,反而在快速發展的燃油汽車面前越發弱勢。最終,公司在2009年宣佈解散

[12]

ZEVCO沒能開個好頭,但業界對燃料電池的技術研發未曾停下。

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裡

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。

燃料電池困在成本里……了嗎?

最早,燃料電池用的都是鉑催化劑。鉑是一種優秀的吸氫材料,能吸附並促進氫氣分子解離。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年資料顯示,全球已探明的鉑資源儲量為6。9萬噸,而且開採量稀少,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,其奈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

低鉑催化劑就是透過改變催化劑結構降低鉑的用量,主要有核殼結構和奈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“核心”起輔助作用,作為“殼”的金屬鉑包裹在外,降低鉑金用量;後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,三者效能各有優劣,但現階段均難以在商用場景代替鉑基催化劑。

燃料電池困在成本里……了嗎?

三種催化劑優缺點

製表 | 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,而成本只有後者的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、複合膜等類別。

燃料電池困在成本里……了嗎?

其中,全氟磺酸膜的穩定性相對更高、使用壽命更長,成為質子交換膜的主流材料。但該材料工藝流程複雜,開發和生產的技術壁壘極高,因此售價也相當昂貴。

製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]

燃料電池困在成本里……了嗎?

國內僅山東東嶽和江蘇科潤能夠生產全氟磺酸樹脂,雖然產能不高,但均已規劃新建產線。近年來隨著技術更迭,山東東嶽生產的質子交換膜,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]

燃料電池困在成本里……了嗎?

雙極板

石墨雙極板耐腐蝕、導電性好,但也並非不可替代。金屬和複合材料的雙極板可能是更好的選擇。

燃料電池困在成本里……了嗎?

國外已在部分場景下,用表面改性的的多塗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製的金屬雙極板正處於試製階段,但成本較高,約為國外的20倍

[19]

另外,複合材料雙極板在成本和效能方便也頗具優勢。

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,待規模化量產後,燃料電池車的成本將降低60%,並且未來還會隨著國產化程序持續下降

[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,長安汽車釋出深藍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之後的第二款氫能燃料電池汽車。

車企們的樂觀,也給國內創業公司帶來了機會。

三、科學家帶“技”下海

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裡,而國內的雄韜氫雄、新源動力和億華通等主流燃料電池商,訂單往往來自政府採購

[20]

在專利方面,智慧芽資料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。

燃料電池困在成本里……了嗎?

全球燃料電池相關專利申請人Top20

果殼硬科技製圖 | 來源:智慧芽

好在自帶專利的高校科學家紛紛下海,給行業帶來新的變化。

2016年,浙江大學博士周鴻波團隊成立的氫途科技,專注於燃料電池發動機的研發,產品如今已在湖北、廣東、四川、山西等地商業化運營。驥翀氫能創始人付宇,博士畢業於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冷靜。

德勤2022年的一篇商業分析提到,氫燃料電池領域的投資正在從歐美向亞洲轉移

[21]

企查查資料顯示,2021年至今,全球燃料電池行業共發生46起融資事件。其中僅家為國外公司。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已屢見不鮮。

繁榮的投融資背後,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,燃料電池已經被髮達國家放棄?

四、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統計,2021年燃料電池汽車銷量在連續兩年下滑後反彈,以3341臺的年銷量創歷史新高

[23]

燃料電池困在成本里……了嗎?

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,國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃(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車。兩日後,沃爾沃也宣佈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年前後與動力電池PK。”

[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。

References:

[1] Plötz, 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,產業藍圖逐漸明朗——氫燃料電池行業深度報告 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] 氫能新材料行業深度:政策引導需求爆發,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:產業化臨近,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》:鉑奈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] 《氫能產業發展中長期規劃(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

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