“绿色电池”、“终极能源”、“清洁发电厂”、“超级发电机”……燃料电池赢得了科学界的诸多赞誉。
有些人看不起这项闻名世界的技术。
2022年1月，德国一家独立研究机构在《自然》杂志上发表文章，指出燃料电池商业化进展过于缓慢。面对日益紧迫的碳中和压力，燃料电池汽车要么马上投产，要么马上停产，呼吁投资者将有限的资源投入到纯电动汽车的研发中。
马斯克肯定同意这个观点。他不止一次公开批评燃料电池“极其愚蠢”，完全“比不上锂电池”。
整个世界都挂在锂电池上？
友情提示，全球已探明的锂资源储量只能满足14.8亿辆电动汽车的需求。作为替代的钠离子电池，商业化进程不一定比燃料电池快。
燃料电池就这么“不堪”吗？你必须自己去看才能得到答案。
昂贵的“玩具”
麝香不黑。燃料电池存在很多尚未解决的技术和产业链问题，如制氢难度大、液氢运输风险高、配套加氢站建设不足等。
从商人的角度来看，成本是燃料电池商业化的最大绊脚石。
20世纪30年代，英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根改进了以前的“气体伏打电池”的想法，制成了世界上第一个燃料电池。这种电池使用氢氧化钠作为电解质，消耗氢气和氧气来发电(2)。1960年，美国飞机发动机制造商Pratt ampWhitney)获得了培根的专利授权。
因为这种电池的发电效率高达70%，而且唯一的产品水还是可以饮用的，所以燃料电池获得了NASA的青睐，与普惠公司签约，将燃料电池用于阿波罗登月任务。
随着应用场景的变化，燃料电池技术也发展迅速，催生了多条技术路线，如:
根据电解质类型的不同，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。
根据燃料类型和反应机理，可分为氢型、碳型、氮型和有机型燃料电池。其中以氢气、甲醇、肼、一氧化碳为燃料的电池统称为氢氧燃料电池，以铝、镁、锂、锌等轻金属为燃料的金属燃料电池。
此外，根据电池的工作温度，可分为高温燃料电池、中温燃料电池和常温燃料电池。
其中，氢燃料电池因其热值高、零排放，成为“双碳”背景下的主流方案。在氢燃料电池的众多技术路线中，质子交换膜燃料电池因其功率密度高、能量转换效率高、运行温度低、清洁环保等优点，商业化进展最快。
然而，应用场景和丰富的技术路线未能推动燃料电池的腾飞，高昂的制造成本也拖了后腿。
基准矿产情报机构Benchmark Mineral Intelligence的数据显示，到2020年底，锂电池的平均成本已经下降到110美元/千瓦时，一般电动汽车的电池容量在50千瓦时到90千瓦时之间，与内燃机相比相当有竞争力。在2021年第三届未来能源大会上，中科院院士高表示，目前燃料电池系统的成本为5000元/kW(5)。
以2022款特斯拉Model 3的后驱版为例。该车采用60kWh磷酸铁锂电池，售价6600美元，约合人民币4.4万元。但如果要用燃料电池实现202kW的电机功率，成本就高达101万人民币。
正因如此，即使车企对燃料电池异常兴奋——戴姆勒、福特、日产、本田、通用都宣布研发氢燃料电池汽车，但2018年以来却纷纷放弃。
至少到目前为止，燃料电池只是一个“昂贵的玩具”。
燃料电池到底贵在哪里？我们以质子交换膜燃料电池为例，看看它的成本分布。
根据郭蓉证券2022年的研究报告，燃料电池系统包括电堆、空气压缩机和其他三个部分，分别占总成本的62%、16%和22%。占比最高的电堆可分为催化剂、质子交换膜、双极板、气体扩散层等五大类(6)。催化剂、质子交换膜和双极板是导致燃料电池成本高的关键因素。
铂基催化剂用于燃料电池运行，电池功率越高，需要的铂越多。银河证券研究报告显示，丰田2014年发布的氢燃料电池SUV车型，每辆单车消耗100g铂金，仅这一项原材料成本就超过2万元。
质子交换膜相当于电池的电解液，是一种能够传导质子、隔离氢氧的半透膜。目前主流的质子交换膜采用全氟聚合物材料，稳定性好，寿命长，但生产难度大，价格不便宜。
根据AVIC证券2022年的研究报告，20cm*20cm规格的杜邦质子交换膜价格为899元(8)。一般每辆氢燃料电池车至少需要20平米质子交换膜，约合22.5万元(9)。
至于双极板，这个组件的作用是隔离阳极和阴极气体，多采用无孔石墨板。因为其生产需要精密加工，一个500平方厘米的双极板加工成本不低于100美元。氢电池商用车使用的石墨双极板市场价格在150元左右一套，而一辆功率为75 kW的商用车需要300套双极板，成本高达45000元(10)。
此外，燃料电池汽车专用的驱动电机和液氢储罐也增加了燃料电池汽车的成本。
虽然成本确实限制了燃料电池的发展，但也不会一砖一瓦的打死。毕竟早期能源行业是补贴的消耗大户，锂电池电动车对补贴的依赖更是有过之而无不及。
根据银河证券的测算，燃料电池要想在性价比上超越内燃机，至少要把成本降到330元/千瓦。
但是从5000元/千瓦降到330元/千瓦相当于把成本降到原来的1/15。这现实吗？
买不起就换。
燃料电池的商业化始于上世纪末。
1998年，伦敦一家名为零排放汽车的汽车公司制造了一辆功率为5kW的燃料电池出租车。
在那个只有航天器才能买得起燃料电池的时代，ZEVCO创造性地使用钴催化剂代替铂来降低成本。但由于性能不如铂催化剂，ZEVCO未能开启燃料电池汽车的盛世，反而在快速发展的燃油汽车面前越来越弱。最后，公司于2009年解散(12)。
ZEVCO未能开个好头，但业界对燃料电池技术的研发从未停止。
如前所述，催化剂、质子交换膜和双极板是燃料电池的主要成本，降低成本的关键就在这里。
催化剂
燃料电池的催化剂有三种:铂催化剂、低铂催化剂和非铂催化剂。
最早，所有的燃料电池都使用铂催化剂。铂是一种优良的吸氢材料，能吸附和促进氢分子的解离。由于其高催化活性，至今仍是商用燃料电池的首选催化剂。
它很容易使用，但是价格太高。铂金2022年以来，现货铂金价格在195元-252元/克之间波动。
储备太少了。美国地质调查局2019年数据显示，全球铂资源探明储量6.9万吨，开采量稀少，最近10年仅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，元素会溶解，其纳米颗粒会在电解体系中团聚流失，而氢燃料中残留的一氧化碳会“毒化”铂，使其失活，从而加速燃料电池的老化，无形中增加了燃料电池的成本。
要降低催化剂的成本，有两种思路——减少铂的用量或者用其他材料替代，也就是前面提到的低铂催化剂和非铂催化剂。
低铂催化剂是通过改变催化剂结构来降低铂的用量，有核壳结构和纳米结构两个研究方向。其中，前者一般采用成本较低的材料作为催化材料的“内核”起辅助作用，外面包裹金属铂作为“外壳”，减少铂的用量；后者将过渡金属与铂结合形成二元或多元合金，提高了铂的比表面积和表面活性。
根据郭蓉证券2022年的研究报告，目前，国内低铂催化剂的铂负载量已降至0.3g/kW，但距离海外0.06g/kW仍有较大差距。
非铂催化剂有三个研究方向，即钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。它们各有优缺点，但现阶段很难在商业场景中取代铂基催化剂。
三种催化剂的优缺点
其中，过渡金属-氮-碳复合催化剂具有许多优点，前景相对较好。学术界也在努力改进，降低成本，提高效率。
2022年，康奈尔大学的Amir Cha Mote团队发现，碳载氮化钴(Co3N/C)催化剂的催化效率与铂几乎相同，而成本仅为后者的1/475。有望在未来取代铂基催化剂并实现商业化使用(17)。
质子交换膜
根据氟含量的不同，质子交换膜还分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟化聚合物膜和复合膜。
其中，全氟磺酸膜具有相对更高的稳定性和更长的使用寿命，已成为质子交换膜的主流材料。但是这种材料的工艺流程复杂，开发生产的技术壁垒极高，所以价格相当昂贵。
制作质子交换膜的重要原料是全氟磺酸树脂。美国杜邦、比利时苏威、日本旭化成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存度高达99%。
国内只有山东东岳和江苏科润能生产全氟磺酸树脂。虽然产能不高，但是已经规划了新的生产线。近年来，随着技术的变化，山东东岳生产的质子交换膜使用寿命从2014年的800小时提高到现在的6000小时。
AVIC证券预测，未来30年质子交换膜成本将继续降低，从2020年的1200元/m2降至2050年的250元/m2。
双极板
石墨双极板耐腐蚀，导电，但不是不可替代的。而金属复合双极板可能是更好的选择。
在国外的一些场景中，笨重易碎的石墨双极板已经被表面改性的多涂层结构金属双极板所取代。国内由至臻新能源和上海交大联合研发的金属双极板处于试制阶段，但成本较高，约为国外的20倍。
此外，复合双极板在成本和性能便利性方面具有优势。
总之，随着材料技术的不断迭代，近年来燃料电池的成本下降很快。根据郭进证券的测算，量产后，燃料电池汽车的成本将降低60%，未来还将随着国产化进程继续下降。让这家车企再次对燃料电池趋之若鹜——
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，长安汽车发布深蓝色C385，包括氢燃料电池版；
今年6月，据透露，丰田将在2023年生产继Mirai未来组合之后的第二款氢燃料电池汽车。
车企的乐观也给国内创业公司带来了机会。
科学家将技能带到海洋
资料显示，2018年，燃料电池技术仍主要掌握在国外大厂和央企手中，而国内主流燃料电池厂商如熊涛氢、新源动力、易华通等经常获得政府采购订单。
专利方面，智慧芽的数据显示，全球燃料电池相关专利几乎被美日韩垄断。在前20名专利申请人中，只有一家中国机构是中国科学院大连化学物理研究所。此外，申请人数前50名的分别是清华大学、华南理工大学和浙江大学。
全球燃料电池相关专利申请前20名
好在拥有自己专利的高校科学家纷纷下海，给行业带来了新的变化。
2016年，由浙江大学周红波博士创立的氢途科技专注于燃料电池发动机的研发。产品已在湖北、广东、四川、山西等地商品化。蓟县氢能创始人傅宇，中科院大连化物所博士毕业，蓟县氢能现在是国内两家有能力量产金属双极板的公司之一。
西方国家反而对燃料电池越来越淡定。
德勤2022年的一份商业分析提到，氢燃料电池的投资正在从欧美向亚洲转移。
企业调查数据显示，自2021年以来，全球燃料电池行业共发生46起融资事件。其中只有两家是外企。此外，国外单笔融资金额最高的是美国公司FirstElement Fuel，D轮融资金额为1.05亿美元。然而，成立不到三年的中国公司吴氏能源在首轮融资中获得了中国投资有限公司和PICC资本超过9亿元人民币的融资。
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并不少见。
在繁荣的投融资背后，中国在全球氢燃料电池汽车市场的份额也在上升，全球10%的燃料电池汽车都在使用中国制造的电堆。
这是否意味着燃料电池已经被发达国家抛弃？
是生是死，看点睛之笔。
现在说放弃还为时过早。
据海外电动车媒体InsideEVs统计，燃料电池汽车销量在2021年连续两年下滑后出现反弹，全年销量达3341辆，创历史新高。
虽然基数低，但是前景很好。
根据ResearchAndMarkets的报告，是时候扩大燃料电池市场了。未来五年，美国燃料电池汽车市场将以19.14%的CAGR增长，到2027年将达到3.22亿美元。
国内方面，国家发改委和国家能源局联合发布的《氢能产业发展中长期规划》提到，到2025年燃料电池汽车保有量要达到5万辆左右。到2030年，氢能将成为二氧化碳排放峰值的有力支撑(25)。
对国产燃料电池的未来相当乐观。
此外，燃料电池在特种车辆中有着广阔的应用前景。6月17日，一汽解放300辆氢燃料电池重卡首发。两天后，沃尔沃也宣布测试世界上第一辆装有氢燃料电池的铰接式卡车。
2018年底，原一汽集团技术研究院副院长、Xpeng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。”
近百年的燃料电池，距离命运的十字路口只有一步之遥。现在下定论还为时过早。
涉及
