推開萬億氫能賽道的第三重門——氫能源車

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，有一臺這樣的車，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？

繼日前釋出的——推開萬億氫能賽道的第一重門之制氫篇、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。

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

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游氫能源車。

從產業鏈上來看，氫能源車位於下游，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，下游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開啟市場，更為關鍵的，是上游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。

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，而後者則是鋰電池透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、燃料電池堆疊、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，前者是核心動力元件，後者由空氣壓縮機、加溼器、燃料迴路、空氣迴路等支援元件構成。

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）裡，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、緊韌體、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，被譽為燃料電池的晶片。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，氫氣透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，質子透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，只允許質子透過，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。

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。

從效能來看，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日金投網最新資料顯示，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資料顯示，電堆成本中催化劑佔比高達53％。

資料來源：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。

根據礦業人才網資料顯示，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歷經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，稀缺的上游資源對未來氫能源車大面積推廣構成了制約因素。

解決上游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，就是將鉑的奈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，該團隊表明其效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3萬次迴圈後衰減在5％以內；國內3千次迴圈後衰減達到86％。

透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。據海關總署資料，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，產品效能優異。

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％。

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，藉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制成全氟磺酸膜。

正是由於全氟磺酸膜的化學性質，使得其效能、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複合膜，市佔率在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，實現批次供貨。科潤新材料、浙江漢丞已實現小批次供貨。

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

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。

本文源自阿爾法工場研究院