投稿|推开万亿氢能赛道的第三重门——氢能源车投稿|新能源汽车

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图片来源@视觉中国

文｜阿尔法工场

试想，有一台这样的车，比新能源车更环保，动力也更强，充能只需五分钟，续航超过1000KM，不受冬天能耗影响。简单说，集合了新能源车和燃油车的优点。
不难猜测，这种车便是氢能源车。虽然技术未曾落地，但各国政府、各路资本纷纷发力投入这片浩瀚的蓝海中，氢能源车的量产正徐徐展开。
与此同时，市场对氢能源车产生了诸多问题。
比如，氢能源车和新能源车有什么区别？二者孰优孰劣？氢能源车发展怎么样了？
继日前发布的——推开万亿氢能赛道的第一重门之制氢篇、第二重门储运篇后，如今，进行该系列第三部——氢能源车已创作完成。
前两篇分别对制氢、储氢、加氢等技术进行了研究，本篇文章是对氢能源车上下游产业链发展现状，以及未来的技术路径进行分析，以解答读者的困惑。
01、电池系统是氢能源车的核心可以说，在氢能源的产业链中，读者最关注的无疑是下游氢能源车。
从产业链上来看，氢能源车位于下游，是面向终端使用的一个环节。同时，也是离消费者最近的一个环节。不同于产业链条中化工、机械等冰冷的工业与技术，下游应用端天生便俘获了认知上的好感。

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我们每一个人都见证了新能源车替代传统燃油车的浪潮。殊不知，当每一轮的产业革命发生，新技术横空出世，紧接着不能回避的一个问题就是工业落地。
这一步不单单是终端面临消费者打开市场，更为关键的，是上游产业链与零部件的成本下降和技术突破。
【投稿|推开万亿氢能赛道的第三重门——氢能源车】如同新能源车一样，没有锂电池技术的落地，就没有新能源车的如火如荼。没有平价上网，就没有光伏的大面积推广。
因此，在氢能源车产业中，零部件与整车同样重要。
新能源车的心脏是锂电池，同样地，氢能源车的核心零部件也是电池。
前事不忘，后事之师。我们有必要对氢能源车的电池系统进行深度的研究。
02、铂催化剂和质子交换膜是燃料电池的核心传统燃油车和新能源车的最大区别在于动力系统。前者的动力是汽油/柴油在内燃机燃烧将热能转化成动能，而后者则是锂电池通过化学反应产生电能，将电能转化为动能。
氢能源车的动力系统原理，其实更类似于新能源车。区别是使用氢气作为燃料而产生电能，再转化为动能。因此，我们也可以称氢能源车为氢燃料车或氢燃料电池汽车。
氢燃料电池汽车主要由高压储氢罐、燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力电池、驱动电机和动力控制单元等组成。

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同锂电池一样，燃料电池系统成本占据氢能源车成本接近30% 。燃料电池系统主要由电池堆和支持系统两部分构成，前者是核心动力组件，后者由空气压缩机、加湿器、燃料回路、空气回路等支持组件构成。
根据国泰君安测算，电堆占据电池系统成本超过一半。

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电堆是什么？想必读者有些困惑。简单来讲，由于单个燃料电池功率有限，因此往往需要将诸多电池单元进行串联，串联后的电池组便是电堆。
这个道理如同锂电池一样，需要将众多电芯（Cell）组装成为模组（Module），再把模组安装进电池包（Pack）里，才能作为新能源车的动力系统。
电堆的组成比较复杂，由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封圈这七个部分组成。

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这其中，我们最为关注的便是膜电极，其成本占据电堆总成本的60%以上，被誉为燃料电池的芯片。膜电极可以说是为氢能源车提供动力的主战场。
膜电极一般由质子交换膜（PEM）、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构” 。
在膜电极中，氢作为燃料使用，但是氢气并不直接燃烧，而是和氧气反应转换为电能。氢气和氧气的化学反应是非常简单的，学过初中化学基础的都应该知道：2H2+O2=2H2O 。
其工作原理也并不难理解，我们之前讲过电解水的原理，氢燃料电池发电就是电解水的逆反应。
具体来看，在氢燃料电池中，氢气通过导气管由电池阳极输入，在铂(Pt)的作用下分解为电子和氢离子（质子）H2→2H++2e,这一原理被称为催化反应。铂由于表面积大，吸附能力强，是现阶段最佳的催化剂，同时保证氢气不直接燃烧。
之后，质子通过质子交换膜到达负极，这个质子交换膜很厉害，含有多种离子基团，只允许质子通过，其作用如同锂电池的隔膜+电解液，这个技术也是关键的一点。
氢离子与阴极输入的氧气反应生成水；而电子则被质子交换膜阻隔，经由外电路流向阴极，产生电能为汽车供能。

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上述的分析可以让我们了解氢能源车的发电原理，更重要的是，深入到具体流程可以让我们挖掘到燃料电池的核心部件，那便是铂和质子交换膜。
03、铂不会成为氢能源车的瓶颈提到铂金、白金首饰，自是无人不知、无人不晓。
铂是比黄金更为稀缺的金属，硬度也高于黄金，稳定性较黄金有过之而无不及。
从性能来看，其耐腐蚀性以及抗氧化性强。热膨胀系数小、热电稳定性强，熔点高达1772℃，延展性良好，催化活性高。
由于具有很高的化学稳定性，常常被用来制造耐腐蚀的化学仪器，也大量用于工业生产过程中，在炼油工业、汽车等产业作为催化剂使用。
据专业人士计算，每辆氢燃料电池车需要铂50g，大巴则需要100g 。虽然燃料电池中使用的是铂基化合物，但我们可以用铂金价格做一个粗略的计算，以供参考。
5月10日金投网最新数据显示，1盎司现货铂金价格为975美元，1盎司约为28.35g 。那么，一辆氢燃料电池车使用铂的成本为1719.57美元，1辆大巴成本为3439.15美元。铂昂贵的价格无疑抬升了氢燃料车的成本。
根据日本NEDO数据显示，电堆成本中催化剂占比高达53% 。

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数据来源@日本NEDO
另一方面，铂常常以矿物形式存在，开采难度更大，工艺复杂，产量较小。
根据矿业人才网数据显示，自然界铂的储量比黄金还为稀少。据不完全统计，铂金总储量为1.4万吨。
世界铂金的年产量仅85吨，只有黄金的5% 。从产地来看，南非产量占比80%以上，其余以俄罗斯等国家为主，我国铂金储量仅300多吨。1盎司铂金，需从数十吨铂金矿石中历经5个月才能提炼出来。
毫无疑问，高昂的价格极大提升了氢能源车的成本，稀缺的上游资源对未来氢能源车大面积推广构成了制约因素。
解决上游资源卡脖子的方案无非有二，一为开源，二为节流。
目前应用于氢燃料电池的催化剂主要有三种，除了铂(Pt)催化剂外，还有低铂催化剂和非铂催化剂。目前市场主流的催化剂为铂炭催化剂，就是将铂的纳米颗粒分散在炭粉作为的载体上。
当然，非铂催化剂是最佳的解决方案。不过，其稳定性与Pt基催化剂仍有较大差距。
目前，过渡金属-氮-碳化合物这一技术路径得到广泛认可，具备催化活性、成本和寿命等优点，是一条较好的替代方案。
世界各国研究机构均在非铂催化剂的技术领域上积极探索。
据报告，近期，英国伦敦帝国理工学院开发出一种氢燃料电池，它使用的催化剂是由铁、碳和氮为原料构成，这三种原材料相比铂来说是廉价并容易获得的。在实验室测试中，该团队表明其性能已经接近铂催化剂。
除此之外，随着技术的进步，单车铂含量也在下降。根据庄信万丰（Johnson Matthey）的测算，海外最新的研究能够将铂用量降至0.06g/kW（约7.06g/辆）。
实际应用上，丰田等第一梯队车企的商业化车型用量大约为0.17g/kW（约20g/辆）。国内技术水平则为0.3g/kW（约35.3g/辆）。
活性衰减方面，海外已经实现3万次循环后衰减在5%以内；国内3千次循环后衰减达到86% 。
通过非铂催化剂的研发和降低铂催化剂的用铂量。二者共同作用下，铂的稀缺性将得到有效缓解，不再成为产业链卡脖子环节。
我国铂催化剂产业发展较为滞后，以进口为主。据海关总署数据，2021年我国贵金属催化剂进口数量为6179吨，出口数量为1715吨，进口金额为14.21亿美元，出口金额为2.23亿美元。
日本田中贵金属、英国庄信万丰和比利时优美科，是全球较大的几家燃料电池催化剂供应商，技术较为领先，产品性能优异。
不过，随着氢能源的推广，我国企业纷纷踏入催化剂领域。以中科科创、贵研铂业（600459）、苏州擎动科技等为代表。
其中，贵研铂业与上海汽车集团合作已经研发出铂基催化剂。苏州擎动科技实现国内首个铂合金催化量产，其开发的铂合金催化剂，能够将燃料电池的铂消耗量降低7% 。
04、质子交换膜国产替代可期膜电极的关键零部件除了铂催化剂外还有质子交换膜。
目前质子交换膜有多种技术方案，不过以全氟磺酸膜为主流。
理解这个名字其实并不难，透过生产流程，借助分子式便可以解惑。因为生产全氟磺酸膜的基础材料是萤石。萤石分子式为CaF2，与硫酸(H2SO4)反应形成氢氟酸（HF），之后进行一系列的反应制成全氟磺酸膜。
正是由于全氟磺酸膜的化学性质，使得其性能、稳定性远高于同类产品，脱颖而出。
与铂催化剂一样，全氟磺酸膜产能主要集中在海外，以美国戈尔、科慕、陶氏和3M公司为主。
据高工氢电统计，国内生产的膜电极，目前多数使用戈尔的增强复合膜，市占率在90%以上。
显而易见，全氟磺酸膜也是氢能源燃料电池又一个国产替代的关键。
国内以东岳集团（00189.HK）、科润新材料、浙江汉丞等企业为代表。其中，东岳集团已具备燃料电池交换膜规模化量产的能力，实现批量供货。科润新材料、浙江汉丞已实现小批量供货。
产能方面，东岳150万平米生产线和科润100万平米项目陆续展开。随着技术突破、产能落地，质子交换膜国产替代可期。
05、结语氢能源车的零部件与整车同等重要，产业链坡长雪厚，发展方兴未艾。国产替代浪潮势必来临，未来将诞生出一批优秀的企业。