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氢燃料电池催化剂——2030年必须迈过去的坎?

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格隆汇 2021-09-15 15:51

说到新能源汽车,很多投资者脑海里会跳出三个字——“电动车”。其实新能源汽车的涵盖范围不止于电动汽车(BEV),还包括一个很重要的品类——氢能源汽车(FCEV)

氢能源汽车是实现国家从“碳达峰”到“碳中和”的一个关键战术和实现手段。氢能源汽车通过搭载氢燃料电池获得能量,其中的优势包括能量密度高、零排放和零污染,是理想型的汽车类型。汽车行业排放量和体量都很大,因此氢能源汽车也成为了整个氢能战略的“试验田”,而氢能的应用也更容易在汽车上实现推广和盈利。

新的动力源是车企的“必争之地”。现代汽车集团就在近日提出了明确且“有野心”的氢能汽车商业化目标。之所以称之为有野心,主要基于两点:一是现代汽车宣布自己的氢能汽车的成本将在2030年与纯电动汽车持平;二是现代汽车想要在2028年率先成为全球第一个所有商用车型都搭载氢能电池的汽车厂商。

图表一:现代汽车的氢燃料电池重卡XCIENT Fuel Cell的改进升级版车型

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来源:公司资料,格隆汇整理

现代汽车看来已经要重押氢能源汽车这个领域,并且抛出了“2040年全球氢能社会”的战略目标。不仅仅是现代汽车,事实上北汽、长城等国内车企也在积极布局氢能源汽车。

根据国际氢能源委员会,预计2050年,氢能源将承担18%的能源需求,而搭载相应燃料电池的汽车将占据全球车辆的20%-25%。我国氢能源汽车的保有量仅仅只有7352辆,而中国汽车工业协会表示,纯电动车的保有量达493万辆。这也意味着相比于目前纯电动汽车的高速发展,氢能源汽车离他的能源战略目标有着更远的距离。

氢能源汽车作为新能源汽车的一种,也拥有着所谓的“成本魔咒”,因此限制了氢能源汽车的应用和推广。和所有新能源汽车一样,氢能源汽车的困扰同样来自于其搭载的氢燃料电池

氢燃料电池催化剂:扼住能量转化的咽喉

氢能源汽车的普及需要攻克的难点笔者认为主要有三个,一个是加氢站的建立,一个是氢气罐的安全性,最后一个就是燃料电池的成本

燃料电池的成本是以上三个当中最突出的问题,因为燃料电池的成本是普通汽油机的100倍,极大地限制了氢能源的普及率

氢燃料电池目前“卡脖子”的关键技术就是氢能的催化剂。此前,我国要发展氢能,所需的催化剂必须向国外进口。因为相关技术的壁垒颇高,催化剂作为上游拥有较大的话语权,进一步推升了下游成本,限制了我国氢能源燃料电池的发展。

我国需要自主研发的氢燃料电池相关的催化剂专利,才能从源头上解决氢能源的第一道关。

目前氢燃料电池的催化剂主要分为三个大类:铂(Pt)催化剂,低铂催化剂和非铂催化剂

图表二:氢燃料电池催化剂的分类

来源:势银能链

Pt作为好的催化剂可以吸附氢气分子促成离解,是目前商用的首选,不过Pt的稀缺性很强,我国储量也不丰富,日后氢燃料电池普及一定会使得需求增加,也会导致Pt的价格更高,给目前氢能发展造成更多阻力

图表三:氢燃料电池的作用原理

来源:https://m.marciamck.com/news/2015-07-molecular-fuel-cell-catalysts-efficient.html,格隆汇整理

目前比较常用的阳极材料是Pt/C,一种将Pt的纳米颗粒分散在碳粉载体上的搭载性催化剂。而阴极材料除了Pt/C之外,可以以其他二元合金的来做催化,如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。

摆脱对铂的依赖可以通过铂的各种合金来可以降低其含量。另外一些新的探索也在路上:从木耳中提取的BF-N-950催化剂、MCOs活性位点的表面限制双核Cu氧化还原催化剂、氮化镍等等。

除零排放零污染之外,氢燃料电池的优势非常明显:相对于传统的动力源,搭载氢燃料电池有着较好的行进加速性、燃料适应性、低温启动性,和高的能源使用效率。目前鉴于燃料电池的体积和续航能量强等特点,在我国该电池的主要应用主要用于功能性得大型运输设备中,例如重卡和牵引车。

氢燃料电池劣势中,除了成本高昂之外,使用的氢燃料也是通过传统能源制备而成,这也造成了搭载氢燃料电池的汽车相对于其他电动汽车在环保上优势欠缺。

氢燃料电池的形态将塑造不同氢能汽车的应用场景

目前关于氢燃料电池的研发还有很多相关技术需要向发达国家靠拢

国内的部分企业已经掌握了氢燃料电池的研究以及开发相关的技术,并且具备批量生产的能力。这些企业所掌握的氢燃料电池技术的各项指标也有显著提高,但是和日本等现行国家的水平相比,核心部件的耐久性和可靠性都有很大的差距

从上文可知,关键问题就在于氢燃料电池的在开发和普及上的“昂贵”,而如果要实现平价氢能源汽车,一共有三个条件:第一是我国必须有自主氢燃料电池催化剂以及其他氢能源相关的专利技术,打破国际上主流对于该技术的垄断;第二是寻求多个氢燃料电池的催化方向,降低硬性成本的要求,例如高昂的铂价;第三实现加氢站的快速普及,使得氢能源汽车的行车环境更加友善,如果电池能量耗尽可以快速地更换燃料,带来的规模效应也可以降低氢能源汽车的成本。

在氢燃料电池上积极布局的公司不在少数:上汽集团发布的“氢战略”、长城的“氢柠技术”、东风公司的“东风风起”都涵盖了氢能源电池的战略布局和长远规划。

图表四:车企以及对应的氢能源投资公司

来源:AutoSpace主编《2019氢能与燃料电池白皮书》

另外氢能源燃料电池随着发展,也可以从体积和效率两个方向入手:同样的效率拥有更小的体积,同样的体积拥有更多的发电效率。

氢燃料电池这两个维度可以直接影响搭载氢能交通工具的使用场景:更小的燃料电池可以搭载的交通工具可以更多,例如小型的客车以及小型的船舶,应用场景也更加广泛,甚至可以开发出具有优势互补能力的混合动力型的汽车。而同样的体积所带来更高的发电效率可以大幅提高大型交通工具的续航能力,减少因为更换燃料所带来的各种隐性成本

总结

可以看出,未来的新能源汽车格局是多元化的,除了纯电动汽车之外,还有搭载氢能源燃料电池的汽车。根据动力源的特性,可以为不同的车型提供能量,而未来的发展方向也一定是互补的。

对于氢能源汽车来说,成本的关键在于氢燃料电池,而氢燃料电池的关键则在催化剂。催化剂所产生的效率和成本能让氢燃料电池变得更加多样,电池的多样性将会催生氢能源汽车在不同领域持续长效的发展。

未来车企下苦功的关键技术核心就是电池技术,谁掌握了关键性的电池技术,谁就能在市场当中形成比较优势,甚至抢先一步占领市场。

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