“绿色电池”“终极能源”“清洁发电厂”“超级发电机”……燃料电池曾获得来自科学界诸多褒奖。
誉满全球的技术,也有人看衰。
2022年1月,德国一独立研究机构在Nature上刊文,指出燃料电池商业化进度太慢了。在日益紧迫的碳中和压力面前,燃料电池汽车要么立刻投产,要么立刻出局,并呼吁投资者们把有限的资源投入纯电汽车研发。
对于这个观点,马斯克想必十分赞成。他曾不止一次地公开批判燃料电池,认为它“极其愚蠢”,完全“无法跟锂电池相提并论”。
马斯克并非尬黑,燃料电池确有诸多技术和产业链问题未解决,比如他提到的制氢难度大、液氢运输风险高和配套加氢站建设不足等。
站在商人的角度,应用场景和丰富的技术路线未能推动燃料电池起飞,居高不下的制造成本拖了后腿,成本才是燃料电池商业化路上最大的绊脚石。
基准矿物情报机构Benchmark Mineral Intelligence数据显示,到2020年底,锂电池的平均成本已降至110美元/kWh,一般电动车电池容量在50kWh~90kWh之间,跟内燃机比起来也相当有竞争力。而在2021年第三届未来能源大会上,中国科学院院士欧阳明高表示,目前燃料电池系统成本为5000元/kW。
以2022款特斯拉Model 3后驱版为例,该车采用60kWh的磷酸铁锂电池,成本为6600美元,约合4.4万元人民币,但若想用燃料电池实现202kW的电动机功率,成本将高达101万元人民币。
正因如此,纵使车企对燃料电池无比心动——戴姆勒、福特、日产、本田、通用纷纷宣布研发氢燃料电池汽车,但2018年以来又陆续放弃。
至少到目前为止,燃料电池还只是一种“昂贵的玩具”。
燃料电池到底贵在哪?我们以质子交换膜燃料电池为例,看看它的成本分布。
国融证券2022年研报显示,燃料电池系统包括电堆、空气压缩机和其它三个部分,分别占总成本的62%、16%和22%。占比最高的电堆部分又可分为催化剂、质子交换膜(电解质)、双极板、气体扩散层和其它5类。而催化剂、质子交换膜和双极板,正是导致燃料电池成本居高不下的关键因素。
燃料电池工作时要用到铂基催化剂,并且电池功率越大,需要的铂就越多。银河证券研报显示,丰田在2014年发布的氢燃料电池SUV车型,单车消耗100g铂,仅这一种原材料的成本便超2万元人民币。
质子交换膜相当于电池的电解质,是一种能够传导质子、隔绝氢气和氧气的半透膜。目前主流的质子交换膜是有全氟化聚合物材料合成,这种材料稳定性好、寿命长,但生产难度大,价格也不便宜。
中航证券2022年研报显示,20cm*20cm(0.04m2)规格的杜邦质子交换膜价格为899。一般生产每辆氢燃料电池汽车至少需要20平米质子交换膜,约合22.5万元。
双极板方面,该部件的作用是隔离阳极阴极气体,多采用无孔石墨板,因其生产需精密加工,一块500平方厘米的双极板加工费不低于100美元。氢燃料电池商用车所使用的石墨双极板市场价约为为150元左右一组,而一辆功率为75千瓦的商用车需要300组双极板,成本高达4.5万元。
另外,燃料电池汽车专用的驱动电机和液氢储存罐,也增加了燃料电池汽车的成本。
虽说成本确实限制了燃料电池的发展,但也不至于一板砖拍死,毕竟能源行业早期都是吃补贴的大户,而锂电池电动车对补贴的依赖更有过之而无不及。
根据银河证券的测算,燃料电池若想在性价比上超越内燃机,至少要把成本压缩到330元/kW。
但是从5000元/kW到330元/kW,相当于把成本降为原本的1/15,这现实吗?
不仅如此,催化剂、质子交换膜和双极板是燃料电池成本的大头,而降本的关键也在这里。
燃料电池的催化剂有三大类:铂催化剂、低铂催化剂和非铂催化剂。
最早,燃料电池用的都是铂催化剂。铂是一种优秀的吸氢材料,能吸附并促进氢气分子解离。因其催化活性很高,直到现在还是商用的燃料电池的首选催化剂。
好用是好用,就是价格太高。铂金2022年以来,现货铂金的价格在195元~252元/克之间浮动[13]。
储量也太少。美国地质调查局(USGS)2019年数据显示,全球已探明的铂资源储量为6.9万吨,而且开采量稀少,近10年只有181吨~204吨/年。
此外,铂基催化剂的使用寿命也不长。铂在充放电过程中会出现元素溶解现象,其纳米颗粒会在电解系中团聚、流失,而氢燃料中残留的一氧化碳也会使铂“中毒”失活,加速燃料电池老化,无形中增加了燃料电池的使用成本。
此外,资料显示,燃料电池技术在2018年还主要掌握在国外大厂和央企手里,而国内的雄韬氢雄、新源动力和亿华通等主流燃料电池商,订单往往来自政府采购。
好在自带专利的高校科学家纷纷下海,给行业带来新的变化。
2016年,浙江大学博士周鸿波团队成立的氢途科技,专注于燃料电池发动机的研发,产品如今已在湖北、广东、四川、山西等地商业化运营。骥翀氢能创始人付宇,博士毕业于中科院大连化学物理研究所,而骥翀氢能现为国内有能力量产金属双极板的两家公司之一。
不过现在,西方国家反而对燃料电池越发冷静。
这是否说明,燃料电池已经被发达国家放弃?
现在说放弃为时尚早。
据海外电动车媒体InsideEVs统计,2021年燃料电池汽车销量在连续两年下滑后反弹,以3341台的年销量创历史新高。
虽然基数很低,但前景甚好。
分析机构ResearchAndMarkets报告显示,现在正是扩大燃料电池市场的时机。未来5年,美国燃料电池汽车市场将以19.14%的CAGR增长,到2027年达3.22亿美元。
国内方面,国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》提到,要在2025年之前,实现燃料电池车辆保有量约5万辆。到2030年,氢能将成为碳达峰的有力支撑。
国内对燃料电池的未来还相当看好。
另外,燃料电池在特种车辆上的也相当具有应用前景。6月17日,一汽解放300辆氢燃料电池重卡发车。两日后,沃尔沃也宣布测试全球第一台氢燃料电池铰接式卡车。
2018年底,前一汽集团技术研究院副院长、小鹏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。”