燃料电池困在成本里…… 了吗?

果壳硬科技 2022/9/22 11:50:01 责编:远生

“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]

企 查查数据显示,2021 年至今,全球燃料电池行业共发生 46 起融资事件。其中仅家为国外公司。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

  • [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] 欧阳明高:未来十年燃料电池系统成本将降八成 2021.7.9 https://www.caixin.com/ 2021-07-09/101738033.html

  • [6] 实现零碳重要抓手,产业蓝图逐渐明朗 —— 氢燃料电池行业深度报告 2022.4.11 https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202204131558956078_1.pdf?1649842096000.pdf

  • [7] 燃料电池汽车全产业链深度研究:政策为帆,“氢”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] 氢能新材料行业深度:政策引导需求爆发,未来可期 2022.3.23 https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202203241554746021_1.pdf?1648157953000.pdf

  • [9] 新能源汽车行业:产业化临近,燃料电池时代将至 2016.7.20 http://qccdata.qichacha.com/ ReportData / PDF / e3b46a6ceebc8831a1b8abe53dcc1849.pdf

  • [10] 攻克氢燃料电池产业化关键痛点 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] 上海黄金交易所交易行情 https://www.sge.com.cn/ sjzx / mrhqsj / 10003147

  • [14] 2017 Minerals Yearbook https://pubs.usgs.gov/myb/vol1/2017/myb1-2017-copper.pdf

  • [15] 《科学》:铂纳米催化剂研究获重大突破 2016.11.18 https://news.sciencenet.cn/ htmlnews / 2016/11/361323.shtm

  • [16] 燃料电池迎春风 材料国产化待突破 —— 燃料电池材料系列报告(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] 从 15 微米到 8 微米 中外质子交换膜至少还有 5 年的差距!2019.8.22 https://www.gg-lb.com/ asdisp2--38602-.html

  • [19] 成本下降路径:国产化、规模经济和技术进步 —— 燃料电池系列研究之 PEMFC 2016.11.10 http://www.invest-data.com/ eWebEditor / uploadfile / 2018040410505414016446.pdf

  • [20] 盘点国内主流燃料电池商: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] 《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》 https://www.ndrc.gov.cn/ xxgk / zcfb / ghwb / 202203 / P020220323314396580505.pdf

  • [26] 小鹏刘明辉:2025 年燃料电池将 PK 动力锂电池 2018.12.20 https://mp.weixin.qq.com/ s / NLjmMUcB_pLJ4vZVSeNOiA

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 

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关键词:燃料电池

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