推開萬億氫能賽道的第三重門——氫能源車

2022年05月16日16:23

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,有一台這樣的車,比新能源車更環保,動力也更強,充能只需五分鐘,續航超過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點。

不難猜測,這種車便是氫能源車。雖然技術未曾落地,但各國政府、各路資本紛紛發力投入這片浩瀚的藍海中,氫能源車的量產正徐徐展開。

與此同時,市場對氫能源車產生了諸多問題。

比如,氫能源車和新能源車有什麼區別?二者孰優孰劣?氫能源車發展怎麼樣了?

繼日前發佈的——推開萬億氫能賽道的第一重門之製氫篇、第二重門儲運篇後,如今,進行該系列第三部——氫能源車已創作完成。

前兩篇分別對製氫、儲氫、加氫等技術進行了研究,本篇文章是對氫能源車上下遊產業鏈發展現狀,以及未來的技術路徑進行分析,以解答讀者的困惑。

01 電池系統是氫能源車的核心

可以說,在氫能源的產業鏈中,讀者最關注的無疑是下遊氫能源車。

從產業鏈上來看,氫能源車位於下遊,是面向終端使用的一個環節。同時,也是離消費者最近的一個環節。不同於產業鏈條中化工、機械等冰冷的工業與技術,下遊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燃油車的浪潮。殊不知,當每一輪的產業革命發生,新技術橫空出世,緊接著不能迴避的一個問題就是工業落地。

這一步不單單是終端面臨消費者打開市場,更為關鍵的,是上遊產業鏈與零部件的成本下降和技術突破。

如同新能源車一樣,沒有鋰電池技術的落地,就沒有新能源車的如火如荼。沒有平價上網,就沒有光伏的大面積推廣。

因此,在氫能源車產業中,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,後事之師。我們有必要對氫能源車的電池系統進行深度的研究。

02 鉑催化劑和質子交換膜是燃料電池的核心

傳統燃油車和新能源車的最大區別在於動力系統。前者的動力是汽油/柴油在內燃機燃燒將熱能轉化成動能,而後者則是鋰電池通過化學反應產生電能,將電能轉化為動能。

氫能源車的動力系統原理,其實更類似於新能源車。區別是使用氫氣作為燃料而產生電能,再轉化為動能。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,燃料電池系統成本佔據氫能源車成本接近30%。燃料電池系統主要由電池堆和支援系統兩部分構成,前者是核心動力組件,後者由空氣壓縮機、加濕器、燃料回路、空氣回路等支援組件構成。

根據國泰君安測算,電堆佔據電池系統成本超過一半。

電堆是什麼?想必讀者有些困惑。簡單來講,由於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,串聯後的電池組便是電堆。

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。

電堆的組成比較複雜,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。

這其中,我們最為關注的便是膜電極,其成本佔據電堆總成本的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場。

膜電極一般由質子交換膜(PEM)、催化層與氣體擴散層三個部分組成所謂的“三合一結構”。

在膜電極中,氫作為燃料使用,但是氫氣並不直接燃燒,而是和氧氣反應轉換為電能。氫氣和氧氣的化學反應是非常簡單的,學過初中化學基礎的都應該知道:2H2+O2=2H2O。

其工作原理也並不難理解,我們之前講過電解水的原理,氫燃料電池發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(質子)H2→2H++2e,這一原理被稱為催化反應。鉑由於表面積大,吸附能力強,是現階段最佳的催化劑,同時保證氫氣不直接燃燒。

之後,質子通過質子交換膜到達負極,這個質子交換膜很厲害,含有多種離子基團,只允許質子通過,其作用如同鋰電池的隔膜+電解液,這個技術也是關鍵的一點。

氫離子與陰極輸入的氧氣反應生成水;而電子則被質子交換膜阻隔,經由外電路流向陰極,產生電能為汽車供能。

上述的分析可以讓我們瞭解氫能源車的發電原理,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,那便是鉑和質子交換膜。

03 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,硬度也高於黃金,穩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。熱膨脹係數小、熱電穩定性強,熔點高達1772℃,延展性良好,催化活性高。

由於具有很高的化學穩定性,常常被用來製造耐腐蝕的化學儀器,也大量用於工業生產過程中,在煉油工業、汽車等產業作為催化劑使用。

據專業人士計算,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日金投網最新數據顯示,1盎司現貨鉑金價格為975美元,1盎司約為28.35g。那麼,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。

根據日本NEDO數據顯示,電堆成本中催化劑佔比高達53%。

數據來源:日本NEDO
數據來源:日本NEDO

另一方面,鉑常常以礦物形式存在,開採難度更大,工藝複雜,產量較小。

根據礦業人才網數據顯示,自然界鉑的儲量比黃金還為稀少。據不完全統計,鉑金總儲量為1.4萬噸。

世界鉑金的年產量僅85噸,只有黃金的5%。從產地來看,南非產量佔比80%以上,其餘以俄羅斯等國家為主,我國鉑金儲量僅300多噸。1盎司鉑金,需從數十噸鉑金礦石中曆經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,稀缺的上遊資源對未來氫能源車大面積推廣構成了製約因素。

解決上遊資源卡脖子的方案無非有二,一為開源,二為節流。

目前應用於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-碳化合物這一技術路徑得到廣泛認可,具備催化活性、成本和壽命等優點,是一條較好的替代方案。

世界各國研究機構均在非鉑催化劑的技術領域上積極探索。

據報告,近期,英國倫敦帝國理工學院開發出一種氫燃料電池,它使用的催化劑是由鐵、碳和氮為原料構成,這三種原材料相比鉑來說是廉價並容易獲得的。在實驗室測試中,該團隊表明其性能已經接近鉑催化劑。

除此之外,隨著技術的進步,單車鉑含量也在下降。根據莊信萬豐(Johnson Matthey)的測算,海外最新的研究能夠將鉑用量降至0.06g/kW(約7.06g/輛)。

實際應用上,豐田等第一梯隊車企的商業化車型用量大約為0.17g/kW(約20g/輛)。國內技術水平則為0.3g/kW(約35.3g/輛)。

活性衰減方面,海外已經實現3萬次循環後衰減在5%以內;國內3千次循環後衰減達到86%。

通過非鉑催化劑的研發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,不再成為產業鏈卡脖子環節。

我國鉑催化劑產業發展較為滯後,以進口為主。據海關總署數據,2021年我國貴金屬催化劑進口數量為6179噸,出口數量為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美科,是全球較大的幾家燃料電池催化劑供應商,技術較為領先,產品性能優異。

不過,隨著氫能源的推廣,我國企業紛紛踏入催化劑領域。以中科科創、貴研鉑業(600459)、蘇州擎動科技等為代表。

其中,貴研鉑業與上海汽車集團合作已經研發出鉑基催化劑。蘇州擎動科技實現國內首個鉑合金催化量產,其開發的鉑合金催化劑,能夠將燃料電池的鉑消耗量降低7%。

04 質子交換膜國產替代可期

膜電極的關鍵零部件除了鉑催化劑外還有質子交換膜。

目前質子交換膜有多種技術方案,不過以全氟磺酸膜為主流。

理解這個名字其實並不難,透過生產流程,借助分子式便可以解惑。因為生產全氟磺酸膜的基礎材料是螢石。螢石分子式為CaF2,與硫酸(H2SO4)反應形成氫氟酸(HF),之後進行一系列的反應製成全氟磺酸膜。

正是由於全氟磺酸膜的化學性質,使得其性能、穩定性遠高於同類產品,脫穎而出。

與鉑催化劑一樣,全氟磺酸膜產能主要集中在海外,以美國戈爾、科慕、陶氏和3M公司為主。

據高工氫電統計,國內生產的膜電極,目前多數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替代的關鍵。

國內以東嶽集團(00189.HK)、科潤新材料、浙江漢丞等企業為代表。其中,東嶽集團已具備燃料電池交換膜規模化量產的能力,實現批量供貨。科潤新材料、浙江漢丞已實現小批量供貨。

產能方面,東嶽150萬平米生產線和科潤100萬平米項目陸續展開。隨著技術突破、產能落地,質子交換膜國產替代可期。

05 結語

氫能源車的零部件與整車同等重要,產業鏈坡長雪厚,發展方興未艾。國產替代浪潮勢必來臨,未來將誕生出一批優秀的企業。

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,後續將推出該系列的文章,敬請期待。

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