燃料电池困在成本里……了吗？
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。[1]
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”。
合着全世界都在锂电池上吊死呗？
友情提示一下，全球已探明可供开采的锂资源储量仅能满足14.8亿辆电动汽车，而作为替代的钠离子电池，商业化进程不见得就比燃料电池更快。
燃料电池究竟有没有那么“不堪”？还得亲自看看才有答案。
昂贵的“玩具”
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，成本才是燃料电池商业化路上最大的绊脚石。
20世纪30年代，英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根（Francis Thomas Bacon）在前人对“气体伏打电池”的想法基础上进行改进，制作出世界上第一个燃料电池。这种电池以氢氧化钠为电解制，消耗氢气和氧气来发电[2]。1960年，美国飞机发动机制造商普惠公司（Pratt & Whitney）获得了培根的专利授权。
因为这种电池的发电效率高达70%，并且唯一产物水还可供饮用，燃料电池因此获得了NASA的垂青，与普惠公司签订合同，将燃料电池用于阿波罗登月任务。[3]
有了应用场景，燃料电池技术也迅速发展，诞生出多条技术路线，如：
按电解质类别不同，可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。 按燃料类别和反应机理不同，又可分为氢型、碳型、氮型和有机物型燃料电池，其中以氢气、甲醇、联氨、一氧化碳等为燃料的电池统称为氢氧燃料电池，还有以铝、镁、锂和锌等轻金属为燃料的金属燃料电池； 另外按电池工作温度不同，还可分为高温燃料电池、中温燃料电池和常温燃料电池。
其中，因氢气热值高、零排放，氢燃料电池成为“双碳”背景下的主流方案。而氢燃料电池的诸多技术路线中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具备高功率密度、高能量转换效率、低运行温度、清洁环保等优势，商业化进展最快。
但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。
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[4]。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[5]。
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[6]。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[7]。
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元[8]。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[9]。
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[9]。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[10]。
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[7]。
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？
用不起就换
燃料电池的商业化，上世纪末业已开始。
1998年，伦敦一家名为零排放汽车（ZEVCO）的车企，造出了一款功率为5kW的燃料电池出租车[11]。
在那个只有宇宙飞船才用得起燃料电池的时代，ZEVCO创造性地使用钴催化剂代原本的铂，以此降低成本[3]。但因其性能不如铂催化剂，ZEVCO没能开启燃料电池汽车的繁荣时代，反而在快速发展的燃油汽车面前越发弱势。最终，公司在2009年宣布解散[12]。
ZEVCO没能开个好头，但业界对燃料电池的技术研发未曾停下。
前文提到，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。
催化剂
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[14]。
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。
想降低催化剂的成本，有两个思路——降低铂的用量或者换成其它材料，也就是前文提到的低铂催化剂和非铂催化剂。
低铂催化剂就是通过改变催化剂结构降低铂的用量，主要有核壳结构和纳米结构两个研究方向。其中，前者一般用成本较低的材料作为催化材料的“内核”起辅助作用，作为“壳”的金属铂包裹在外，降低铂金用量；后者则把过渡金属和铂结合，形成二元或多元合金，提升铂的比表面积和表面活性[15]。
根据国融证券2022年的研报，目前国内的低铂催化剂已将铂金载量降至0.3g/kW，但是距海外的0.06g/kW仍有较大差距[6]。
非铂催化剂则有三个研究方向，分别为：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂，三者性能各有优劣，但现阶段均难以在商用场景代替铂基催化剂。
其中，过渡金属-氮-碳化合物催化剂的优点多，前景相对更好。学界也在尝试改进，降本增效。
2022年，康奈尔大学埃米尔·查莫特（ÉmileM . Chamot）团队发现碳负载的氮化钴（Co3N/C）催化剂的催化效率与铂几乎相同，而成本只有后者的1/475，未来有望取代铂基催化剂，实现商用[17]。
质子交换膜
按照含氟量不同，质子交换膜也分为全氟磺酸膜（全氟质子交换膜）、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等类别。
其中，全氟磺酸膜的稳定性相对更高、使用寿命更长，成为质子交换膜的主流材料。但该材料工艺流程复杂，开发和生产的技术壁垒极高，因此售价也相当昂贵。
制作质子交换膜有一个重要的原料，是全氟磺酸树脂。美国的杜邦、比利时索尔维和日本的旭化成三家公司垄断了全氟磺酸树脂90%以上的产能，中国对该原料的进口依赖度高达99%[8]。
国内仅山东东岳和江苏科润能够生产全氟磺酸树脂，虽然产能不高，但均已规划新建产线。近年来随着技术更迭，山东东岳生产的质子交换膜，寿命从2014年的800小时提升到现在的6000小时[18]。
中航证券预测，未来30年质子交换膜的成本还会不断降低，从2020年的1200元/平米，降至2050年的250元/平米[8]。
双极板
石墨双极板耐腐蚀、导电性好，但也并非不可替代。金属和复合材料的双极板可能是更好的选择。
国外已在部分场景下，用表面改性的的多涂层结构金属双极板替代质重、易碎的石墨双极板。国内方面，治臻新能源与上海交通大学共同研制的金属双极板正处于试制阶段，但成本较高，约为国外的20倍[19]。
另外，复合材料双极板在成本和性能方便也颇具优势。
总之，随着材料工艺不断迭代，燃料电池成本近几年迅速下降。据国金证券测算，待规模化量产后，燃料电池车的成本将降低60%，并且未来还会随着国产化进程持续下降[19]。这让车企再次对燃料电池蠢蠢欲动——
2022年4月，现代NEXO获得北京新能源牌照，成为国内首款氢燃料电池汽车； 同月，长安汽车发布深蓝C385，便包括氢燃料电池版本； 今年6月，丰田汽车被曝将在2023年生产继Mirai之后的第二款氢能燃料电池汽车。
车企们的乐观，也给国内创业公司带来了机会。
科学家带“技”下海
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[20]。
在专利方面，智慧芽数据显示全球燃料电池相关专利几乎被美日韩三国垄断。专利申请数量排名前二十的申请人中，只有中国科学院大连化学物理研究所一家中国机构。另外，排名前五十的申请人还有清华大学、华南理工大学和浙江大学。
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。
西方国家反而对燃料电池越发冷静。
德勤2022年的一篇商业分析提到，氢燃料电池领域的投资正在从欧美向亚洲转移[21]。
企查查数据显示，2021年至今，全球燃料电池行业共发生46起融资事件。其中仅家为国外公司。另外，国外方面单笔融资额最高的是美国公司FirstElement Fuel，D轮融资额为1.05亿美元。而成立不到三年的中国公司未势能源，在A轮便获得国投招商和人保资本领投的超9亿元人民币A轮融资。
天使轮融资数千万元、A轮融资数亿元，这在国内燃料电池行业已屡见不鲜。
繁荣的投融资背后，中国在全球氢燃料电池汽车市场中份额也水涨船高，全球有10%的燃料电池汽车正在使用产自中国的电堆[22]。
这是否说明，燃料电池已经被发达国家放弃？
是死是活，且看临门一脚
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[23]。
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[24]。
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[25]。
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。”[26]
年近百岁的燃料电池，距离命运的路口只差临门一脚，现在给它盖棺定论，怕是早了一些。
References：
[1] Plötz, P. Hydrogen technology is unlikely to play a major role in sustainable road transport. Nat Electron 5, 8–10 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00706-6
[2] Grove’s gaseous voltaic battery 2020.6.5 https://www.chemistryworld.com/opinion/groves-gaseous-voltaic-battery/4011756.article
[3] Alkali Fuel Cells https://americanhistory.si.edu/fuelcells/alk/alkmain.htm
[4] LITHIUM ION BATTERY CELL PRICES FALL TO $110/KWH, BUT RAW MATERIAL RISK LOOMS LARGE 2020.12.1 https://www.benchmarkminerals.com/membership/lithium-ion-battery-cell-prices-fall-to-110-kwh-but-raw-material-risk-looms-large-2/
[5] 欧阳明高：未来十年燃料电池系统成本将降八成 2021.7.9 https://www.caixin.com/2021-07-09/101738033.html
[6] 实现零碳重要抓手，产业蓝图逐渐明朗——氢燃料电池行业深度报告 2022.4.11 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202204131558956078_1.pdf?1649842096000.pdf
[7] 燃料电池汽车全产业链深度研究：政策为帆，“氢”心起航 2016.5.27 http://pg.jrj.com.cn/acc/Res/CN_RES/INDUS/2016/5/27/a180c812-ac17-4546-9b0e-23f687a15f70.pdf
[8] 氢能新材料行业深度：政策引导需求爆发，未来可期 2022.3.23 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202203241554746021_1.pdf?1648157953000.pdf
[9] 新能源汽车行业：产业化临近，燃料电池时代将至 2016.7.20 http://qccdata.qichacha.com/ReportData/PDF/e3b46a6ceebc8831a1b8abe53dcc1849.pdf
[10] 攻克氢燃料电池产业化关键痛点 2022.2.19 https://www.dailyqd.com/3g/html/2022-02/19/content_333387.htm
[11] ZeTek Efforts on Fuel Cell London Cabs Reach Back to 1998 2010.8.8 https://www.greencarcongress.com/2010/08/zetek-201000808.html
[12] ZETEK POWER PLC https://www.companieslondon.com/uk/03681503/zetek-power-plc
[13] 上海黄金交易所交易行情 https://www.sge.com.cn/sjzx/mrhqsj/10003147
[14] 2017 Minerals Yearbook https://pubs.usgs.gov/myb/vol1/2017/myb1-2017-copper.pdf
[15] 《科学》：铂纳米催化剂研究获重大突破 2016.11.18 https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361323.shtm
[16] 燃料电池迎春风 材料国产化待突破 ——燃料电池材料系列报告（一） 2016.7.25 http://www.invest-data.com/eWebEditor/uploadfile/2018040919235187049515.pdf
[17] Nonprecious transition metal nitrides as efficient oxygen reduction electrocatalysts for alkaline fuel cells 2022.2.2 https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abj1584?cookieSet=1
[18] 从15微米到8微米 中外质子交换膜至少还有5年的差距！2019.8.22 https://www.gg-lb.com/asdisp2--38602-.html
[19] 成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步 ——燃料电池系列研究之 PEMFC 2016.11.10 http://www.invest-data.com/eWebEditor/uploadfile/2018040410505414016446.pdf
[20] 盘点国内主流燃料电池商：都在做政府生意 2018.12.26 https://mp.weixin.qq.com/s/Du3vSa0iyVrWXniCernIow
[21] Venture capital is betting on hydrogen to be the surprise of the decade https://www2.deloitte.com/nl/nl/pages/energy-resources-industrials/articles/venture-capital-betting-on-hydrogen.html
[22] China has discreetly taken 10 per cent of the world’s market for hydrogen fuel-cell vehicles. Here’s a look at the company leading the charge 2022.5.28 https://www.scmp.com/business/china-business/article/3179447/china-has-discreetly-taken-10-cent-worlds-market-hydrogen
[23] US: Hydrogen Fuel Cell Car Sales Rebounded In 2021 2022.2.5 https://insideevs.com/news/565185/us-hydrogen-car-sales-2021/
[24] United States Hydrogen Fuel Cell Vehicle Markets, 2022-2027 by Technology, Vehicle Type, Competitive Analysis and the Impact of Covid-19 with Ansoff Analysis - ResearchAndMarkets.com 2022.6.13 https://www.businesswire.com/news/home/20220613005551/en/United-States-Hydrogen-Fuel-Cell-Vehicle-Markets-2022-2027-by-Technology-Vehicle-Type-Competitive-Analysis-and-the-Impact-of-Covid-19-with-Ansoff-Analysis---ResearchAndMarkets.com
[25] 《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》 https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202203/P020220323314396580505.pdf
[26] 小鹏刘明辉：2025年燃料电池将PK动力锂电池 2018.12.20 https://mp.weixin.qq.com/s/NLjmMUcB_pLJ4vZVSeNOiA
《工业机器人国产化的脖子在哪里？》