不受冬天能耗影響。簡(jiǎn)單說(shuō)，集合了新能源車(chē)和燃油車(chē)的優(yōu)點(diǎn)。

不難猜測，這種車(chē)便是氫能源車(chē)。雖然技術(shù)未曾落地，但各國政府、各路資本紛紛發(fā)力投入這片浩瀚的藍海中，氫能源車(chē)的量產(chǎn)正徐徐展開(kāi)。

與此同時(shí)，市場(chǎng)對氫能源車(chē)產(chǎn)生了諸多問(wèn)題。

比如，氫能源車(chē)和新能源車(chē)有什么區別？二者孰優(yōu)孰劣？氫能源車(chē)發(fā)展怎么樣了？

電池系統是氫能源車(chē)的核心

可以說(shuō)，在氫能源的產(chǎn)業(yè)鏈中，讀者最關(guān)注的無(wú)疑是下游氫能源車(chē)。

從產(chǎn)業(yè)鏈上來(lái)看，氫能源車(chē)位于下游，是面向終端使用的一個(gè)環(huán)節。同時(shí)，也是離消費者最近的一個(gè)環(huán)節。不同于產(chǎn)業(yè)鏈條中化工、機械等冰冷的工業(yè)與技術(shù)，下游應用端天生便俘獲了認知上的好感。

我們每一個(gè)人都見(jiàn)證了新能源車(chē)替代傳統燃油車(chē)的浪潮。殊不知，當每一輪的產(chǎn)業(yè)革命發(fā)生，新技術(shù)橫空出世，緊接著(zhù)不能回避的一個(gè)問(wèn)題就是工業(yè)落地。

這一步不單單是終端面臨消費者打開(kāi)市場(chǎng)，更為關(guān)鍵的，是上游產(chǎn)業(yè)鏈與零部件的成本下降和技術(shù)突破。

如同新能源車(chē)一樣，沒(méi)有鋰電池技術(shù)的落地，就沒(méi)有新能源車(chē)的如火如荼。沒(méi)有平價(jià)上網(wǎng)，就沒(méi)有光伏的大面積推廣。

因此，在氫能源車(chē)產(chǎn)業(yè)中，零部件與整車(chē)同樣重要。

新能源車(chē)的心臟是鋰電池，同樣地，氫能源車(chē)的核心零部件也是電池。

前事不忘，后事之師。我們有必要對氫能源車(chē)的電池系統進(jìn)行深度的研究。

鉑催化劑和質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心

傳統燃油車(chē)和新能源車(chē)的最大區別在于動(dòng)力系統。前者的動(dòng)力是汽油/柴油在內燃機燃燒將熱能轉化成動(dòng)能，而后者則是鋰電池通過(guò)化學(xué)反應產(chǎn)生電能，將電能轉化為動(dòng)能。

氫能源車(chē)的動(dòng)力系統原理，其實(shí)更類(lèi)似于新能源車(chē)。區別是使用氫氣作為燃料而產(chǎn)生電能，再轉化為動(dòng)能。因此，我們也可以稱(chēng)氫能源車(chē)為氫燃料車(chē)或氫燃料電池汽車(chē)。

氫燃料電池汽車(chē)主要由高壓儲氫罐、燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動(dòng)力電池、驅動(dòng)電機和動(dòng)力控制單元等組成。

同鋰電池一樣，燃料電池系統成本占據氫能源車(chē)成本接近30%。燃料電池系統主要由電池堆和支持系統兩部分構成，前者是核心動(dòng)力組件，后者由空氣壓縮機、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構成。

根據國泰君安測算，電堆占據電池系統成本超過(guò)一半。

電堆是什么？想必讀者有些困惑。簡(jiǎn)單來(lái)講，由于單個(gè)燃料電池功率有限，因此往往需要將諸多電池單元進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)后的電池組便是電堆。

這個(gè)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(jìn)電池包（Pack）里，才能作為新能源車(chē)的動(dòng)力系統。

電堆的組成比較復雜，由端板、絕緣板、集流板、雙極板、膜電極、緊固件、密封圈這七個(gè)部分組成。

這其中，我們最為關(guān)注的便是膜電極，其成本占據電堆總成本的60%以上，被譽(yù)為燃料電池的芯片。膜電極可以說(shuō)是為氫能源車(chē)提供動(dòng)力的主戰場(chǎng)。

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

在膜電極中，氫作為燃料使用，但是氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應轉換為電能。氫氣和氧氣的化學(xué)反應是非常簡(jiǎn)單的，學(xué)過(guò)初中化學(xué)基礎的都應該知道：2H2+O2=2H2O。

其工作原理也并不難理解，我們之前講過(guò)電解水的原理，氫燃料電池發(fā)電就是電解水的逆反應。

具體來(lái)看，在氫燃料電池中，氫氣通過(guò)導氣管由電池陽(yáng)極輸入，在鉑(Pt)的作用下分解為電子和氫離子（質(zhì)子）H2→2H++2e,這一原理被稱(chēng)為催化反應。鉑由于表面積大，吸附能力強，是現階段最佳的催化劑，同時(shí)保證氫氣不直接燃燒。

之后，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達負極，這個(gè)質(zhì)子交換膜很厲害，含有多種離子基團，只允許質(zhì)子通過(guò)，其作用如同鋰電池的隔膜+電解液，這個(gè)技術(shù)也是關(guān)鍵的一點(diǎn)。

氫離子與陰極輸入的氧氣反應生成水；而電子則被質(zhì)子交換膜阻隔，經(jīng)由外電路流向陰極，產(chǎn)生電能為汽車(chē)供能。

上述的分析可以讓我們了解氫能源車(chē)的發(fā)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(zhì)子交換膜。

鉑不會(huì )成為氫能源車(chē)的瓶頸

提到鉑金、白金首飾，自是無(wú)人不知、無(wú)人不曉。

鉑是比黃金更為稀缺的金屬，硬度也高于黃金，穩定性較黃金有過(guò)之而無(wú)不及。

從性能來(lái)看，其耐腐蝕性以及抗氧化性強。熱膨脹系數小、熱電穩定性強，熔點(diǎn)高達1772℃，延展性良好，催化活性高。

由于具有很高的化學(xué)穩定性，常常被用來(lái)制造耐腐蝕的化學(xué)儀器，也大量用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，在煉油工業(yè)、汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)作為催化劑使用。

據專(zhuān)業(yè)人士計算，每輛氫燃料電池車(chē)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(jià)格做一個(gè)粗略的計算，以供參考。

5月10日金投網(wǎng)最新數據顯示，1盎司現貨鉑金價(jià)格為975美元，1盎司約為28.35g。那么，一輛氫燃料電池車(chē)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(jià)格無(wú)疑抬升了氫燃料車(chē)的成本。

根據日本NEDO數據顯示，電堆成本中催化劑占比高達53%：

另一方面，鉑常常以礦物形式存在，開(kāi)采難度更大，工藝復雜，產(chǎn)量較小。

根據礦業(yè)人才網(wǎng)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(wàn)噸。

世界鉑金的年產(chǎn)量?jì)H85噸，只有黃金的5%。從產(chǎn)地來(lái)看，南非產(chǎn)量占比80%以上，其余以俄羅斯等國家為主，我國鉑金儲量?jì)H300多噸。1盎司鉑金，需從數十噸鉑金礦石中歷經(jīng)5個(gè)月才能提煉出來(lái)。

毫無(wú)疑問(wèn)，高昂的價(jià)格極大提升了氫能源車(chē)的成本，稀缺的上游資源對未來(lái)氫能源車(chē)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(wú)非有二，一為開(kāi)源，二為節流。

目前應用于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(chǎng)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(guò)，其穩定性與Pt基催化劑仍有較大差距。

目前，過(guò)渡金屬-氮-碳化合物這一技術(shù)路徑得到廣泛認可，具備催化活性、成本和壽命等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)領(lǐng)域上積極探索。

據報告，近期，英國倫敦帝國理工學(xué)院開(kāi)發(fā)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(lái)說(shuō)是廉價(jià)并容易獲得的。在實(shí)驗室測試中，該團隊表明其性能已經(jīng)接近鉑催化劑。

除此之外，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，單車(chē)鉑含量也在下降。根據莊信萬(wàn)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(shí)際應用上，豐田等第一梯隊車(chē)企的商業(yè)化車(chē)型用量大約為0.17g/kW（約20g/輛）。國內技術(shù)水平則為0.3g/kW（約35.3g/輛）。

活性衰減方面，海外已經(jīng)實(shí)現3萬(wàn)次循環(huán)后衰減在5%以?xún)?；國?千次循環(huán)后衰減達到86%。

通過(guò)非鉑催化劑的研發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈卡脖子環(huán)節。

我國鉑催化劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為滯后，以進(jìn)口為主。據海關(guān)總署數據，2021年我國貴金屬催化劑進(jìn)口數量為6179噸，出口數量為1715噸，進(jìn)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(wàn)豐和比利時(shí)優(yōu)美科，是全球較大的幾家燃料電池催化劑供應商，技術(shù)較為領(lǐng)先，產(chǎn)品性能優(yōu)異。

不過(guò)，隨著(zhù)氫能源的推廣，我國企業(yè)紛紛踏入催化劑領(lǐng)域。以中科科創(chuàng )、貴研鉑業(yè)（600459）、蘇州擎動(dòng)科技等為代表。

其中，貴研鉑業(yè)與上海汽車(chē)集團合作已經(jīng)研發(fā)出鉑基催化劑。蘇州擎動(dòng)科技實(shí)現國內首個(gè)鉑合金催化量產(chǎn)，其開(kāi)發(fā)的鉑合金催化劑，能夠將燃料電池的鉑消耗量降低7%。

質(zhì)子交換膜國產(chǎn)替代可期

膜電極的關(guān)鍵零部件除了鉑催化劑外還有質(zhì)子交換膜。

目前質(zhì)子交換膜有多種技術(shù)方案，不過(guò)以全氟磺酸膜為主流。

理解這個(gè)名字其實(shí)并不難，透過(guò)生產(chǎn)流程，借助分子式便可以解惑。因為生產(chǎn)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），之后進(jìn)行一系列的反應制成全氟磺酸膜。

正是由于全氟磺酸膜的化學(xué)性質(zhì)，使得其性能、穩定性遠高于同類(lèi)產(chǎn)品，脫穎而出。

與鉑催化劑一樣，全氟磺酸膜產(chǎn)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(chǎn)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(jiàn)，全氟磺酸膜也是氫能源燃料電池又一個(gè)國產(chǎn)替代的關(guān)鍵。

國內以東岳集團（00189.HK）、科潤新材料、浙江漢丞等企業(yè)為代表。其中，東岳集團已具備燃料電池交換膜規?；慨a(chǎn)的能力，實(shí)現批量供貨?？茲櫺虏牧?、浙江漢丞已實(shí)現小批量供貨。

產(chǎn)能方面，東岳150萬(wàn)平米生產(chǎn)線(xiàn)和科潤100萬(wàn)平米項目陸續展開(kāi)。隨著(zhù)技術(shù)突破、產(chǎn)能落地，質(zhì)子交換膜國產(chǎn)替代可期。

氫能源車(chē)的零部件與整車(chē)同等重要，產(chǎn)業(yè)鏈坡長(cháng)雪厚，發(fā)展方興未艾。國產(chǎn)替代浪潮勢必來(lái)臨，未來(lái)將誕生出一批優(yōu)秀的企業(yè)。

來(lái)源：阿爾法工場(chǎng)研究院