Mingming del mercado de la cultura del automóvil tiene su propio pequeño círculo en el campo del consumo de automóviles. Lo que más les importa de la industria de la energía del hidrógeno es si los vehículos de pila de combustible tienen alguna ventaja. ¿Cuándo será tan popular como los autos con batería de iones de litio? Este es un artículo orientado al consumidor.


Dado que he servido a la industria de la cultura del automóvil durante muchos años, después de cambiarme a la industria de la energía del hidrógeno, seguiré hablando sobre temas relacionados con los automóviles con algunos amigos a mi alrededor, por lo que mencionaré las perspectivas de desarrollo de los vehículos de celdas de combustible en el futuro automóvil. mercado de vez en cuando. Sin embargo, dado que los vehículos con batería de litio son relativamente populares en el mercado actual, cuando menciono los vehículos con celdas de combustible, muchos amigos aún tienden a confundir el concepto de los vehículos con celdas de combustible con el principio de funcionamiento de los vehículos con batería de litio. En respuesta a este fenómeno, esta vez hablaremos brevemente sobre el principio de funcionamiento de los vehículos de pila de combustible y los componentes principales relacionados, así como las diferencias entre ellos y los motores de combustión interna y las baterías de litio.

Las celdas de combustible no son "baterías"

Sí, estrictamente hablando, aunque las celdas de combustible se denominan baterías, en realidad no son "baterías" que entendemos como puramente para el almacenamiento de energía, como las baterías de plomo-ácido y las baterías de litio. Literalmente, "Una "batería" es un "depósito" de electricidad, un dispositivo que almacena energía eléctrica.

El principio de funcionamiento de la pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química del combustible en energía eléctrica a través de reacciones redox. A diferencia de las baterías ordinarias que almacenan y liberan energía a través de la carga y descarga, las celdas de combustible pueden lograr una descarga continua agregando combustible continuamente. El efecto, en términos simples, su proceso de trabajo es generar electricidad agregando combustible para continuar la reacción de oxidación-reducción. El combustible más utilizado es el hidrógeno, y el hidrógeno y el oxígeno en los electrodos positivo y negativo producen reacciones de oxidación-reducción a través del electrolito. Durante el proceso, los electrones son conducidos desde el ánodo al cátodo, formando así una corriente.

Por tanto, también se puede decir que un vehículo de pila de combustible combina las características de un vehículo con motor de combustión interna y un vehículo con batería de litio. No solo puede mantener la vida útil de la batería al reponer rápidamente el combustible (hidrógeno), sino también porque genera principalmente electricidad y las emisiones son electrólisis de hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, el agua formada por la reacción retrógrada del agua puede lograr una carga rápida y eficiente, y también puede cumplir con los verdaderos requisitos de protección ambiental de cero emisiones, compensando las deficiencias tanto de los motores de combustión interna como de las baterías de litio.

El proceso de desarrollo de las pilas de combustible.

En 1839, el físico británico William Grove (William Robert Grove) produjo la primera pila de combustible. La teoría en la revista, Grove verificó y perfeccionó la teoría al año siguiente después de verla, y publicó el boceto del diseño de la pila de combustible en el "Philosophical Journal and Journal of Science" en 1842.

El diseño de Grove usó una solución de ácido sulfúrico como electrolito, en una forma más similar a las baterías de plomo-ácido actuales. No fue hasta 1955, después de la mejora de W. Thomas Grubb, un ingeniero químico eléctrico general, que realmente apareció una celda de combustible que usaba una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito, y tres años más tarde, su colega de General Electric, Leonard Niedrach incorporó además platino a la membrana de intercambio como catalizador para la reacción de reducción y la denominó "celda de combustible Grubb-Niedrach", hasta el momento sentó las bases del prototipo de la celda de combustible PEM moderna.

Bajo el desarrollo conjunto de la NASA y General Electric en el período posterior, las celdas de combustible también se aplicaron en muchos proyectos comerciales y proyectos aeroespaciales. La fuente de agua. En 1991, el científico estadounidense Roger E. Billings (Roger E. Billings) fabricó con éxito el primer vehículo impulsado por celdas de combustible de hidrógeno: LaserCel 1, que inauguró oficialmente el preludio de los vehículos con celdas de combustible de hidrógeno. .

El primer vehículo de celda de combustible fabricado por Roger Billings - LaserCel 1, se puede ver que el prototipo es un Ford Fiesta original

En esta etapa, la aplicación de la tecnología de celdas de combustible en el mundo ha entrado en la etapa de desarrollo de la industrialización, pero la más utilizada es la cogeneración de calor y energía doméstica. En Japón se han vendido más de 400.000 unidades de este producto, y ya es económico. Fueron Toyota Mirai y Hyundai NEXO los que realmente llevaron los vehículos de pila de combustible a la industrialización. En 2014, Toyota anunció que el costo total de las celdas de combustible se había reducido a 1/20 del de 2008, lo que se convirtió en un punto de inflexión en la industrialización global de los vehículos con celdas de combustible. China aún se encuentra en la etapa de verificación de celdas de combustible, mientras que Estados Unidos está verificando a través de la aplicación a gran escala de montacargas.

Ventajas y desventajas de las pilas de combustible

Deshacerse de las restricciones de recursos y las restricciones ambientales es el propósito central del desarrollo de nuevas energías. En primer lugar, el hidrógeno tiene una amplia gama de fuentes y no está limitado por los recursos. En la actualidad, el catalizador de la celda de combustible utiliza recursos de platino, pero en comparación con los 30 kg de carbonato de litio requeridos para cada vehículo de baterías de litio, el consumo de platino de las celdas de combustible se calcula en gramos y la recuperación de platino alcanza más del 90%, y el costo de recuperación es más bajo que los costos de extracción de recursos, por lo que las celdas de combustible básicamente no están sujetas a restricciones de recursos.

En segundo lugar, desde la perspectiva del pico de carbono, el uso de electricidad verde para producir hidrógeno verde realmente puede lograr viajes verdes. Los vehículos de celdas de combustible consumen hidrógeno y excretan agua, y casi no hay contaminación en el proceso de recuperación del platino.

En tercer lugar, los consumidores están más preocupados por la experiencia de conducción. Se tarda entre 3 y 5 minutos en agregar hidrógeno a un vehículo de pila de combustible (vehículos comerciales en 15 minutos), y puede durar entre 600 y 800 km, y puede comenzar normalmente por debajo de los 30 grados bajo cero, y no hay problema con la batería. pérdida de potencia. Obviamente, en regiones frías Reducción de mucha ansiedad. El plan inicial para los Juegos Olímpicos de Invierno de Beijing no era un vehículo de pila de combustible. Se cambió a un plan de vehículos con celdas de combustible porque las baterías de litio no eran adecuadas para el clima de baja temperatura en Yanqing y Zhangjiakou. Esta vez, los 1.200 vehículos de pila de combustible han verificado bien este desempeño.

El cuarto es la seguridad. La celda de combustible en sí misma no almacena energía, por lo que la seguridad en el automóvil es relativamente alta.

La desventaja es que la energía del hidrógeno es el gas más liviano, que es muy difícil de manejar, y los requisitos de seguridad en el proceso de almacenamiento y transporte también son altos, y los costos de almacenamiento y transporte correspondientes son relativamente altos. Esta es la mayor desventaja del desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno. Esto también ha promovido el desarrollo de varias tecnologías de almacenamiento de hidrógeno, incluido el hidrógeno líquido, el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido y el almacenamiento de hidrógeno compuesto orgánico.

Estado actual y trayectorias divergentes de los vehículos de pila de combustible

Los escenarios de aplicación de las pilas de combustible son bastante variados, como barcos, carretillas elevadoras, cohetes, aviones, fuentes de alimentación distribuidas, etc. La razón por la que los vehículos de pilas de combustible han recibido más atención es que su mercado comercial es relativamente amplio. Una vez madura, la velocidad de implementación y popularización es relativamente rápida y puede tener un gran impacto en toda la industria.

Aunque la energía del hidrógeno y las pilas de combustible se han desarrollado y se han introducido en el campo comercial durante muchos años, todavía están lejos de los consumidores cotidianos. Los vehículos con celdas de combustible de hidrógeno pueden acortar efectivamente esta distancia y mejorar las opiniones inherentes de los consumidores sobre la energía del hidrógeno.

Sin embargo, hay algunas diferencias en los caminos de desarrollo de varios países. Los prototipos desarrollados por los principales fabricantes de automóviles en los primeros días son todos automóviles de pasajeros, y los modelos producidos en masa en Japón y Corea del Sur también son automóviles de pasajeros, pero China y Estados Unidos son principalmente vehículos comerciales.

Desde que Billings produjo el primer vehículo de celda de combustible, muchos fabricantes también han visto la perspectiva de mercado y el potencial de protección ambiental de la energía del hidrógeno. Después de ingresar al siglo XXI, los principales fabricantes también lanzaron algunos autos conceptuales de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno o un auto de prueba, pero en el período posterior debido al vigoroso desarrollo del mercado de baterías de litio, muchos fabricantes tuvieron que dejar de lado temporalmente o cancelar la celda de combustible. plano del vehiculo.

Con el aumento del costo de los recursos de litio, algunos de los principales fabricantes de automóviles han regresado gradualmente al campo de los vehículos con celdas de combustible en los últimos años, como Toyota, Honda, Nissan, Daimler, BMW, Hyundai, Kia, GM, etc., han anunciado Plan de desarrollo para vehículos de pila de combustible.

Según las estadísticas de la revista "Car and Drive", a partir de 2022, actualmente hay alrededor de 15,000 vehículos de celdas de combustible de hidrógeno en las carreteras de California, y con el desarrollo de estaciones de servicio de hidrógeno y sistemas de transporte y almacenamiento de energía de hidrógeno, es cree que los vehículos de pila de combustible El inventario aumentará gradualmente.

Además de Japón, California es actualmente el mercado más grande de Mirai.

También es uno de los dos mercados del mundo donde los vehículos de pila de combustible han vendido más de 10.000 unidades.

Nuestra exploración de vehículos de hidrógeno no se limita a las pilas de combustible. Tanto BMW como Mazda han lanzado modelos híbridos de hidrógeno y los han lanzado como modelos de producción masiva a pequeña escala. Sin embargo, debido a razones técnicas y las duras condiciones de reabastecimiento de hidrógeno en ese momento, estos modelos solo pueden sumergirse en el gran mercado de automóviles con una producción anual de decenas de millones.

Pero en los últimos años, con la demostración y la aplicación de la industria de la energía del hidrógeno, ya sea mediante el progreso tecnológico o la construcción de estaciones de servicio de hidrógeno, se ha reavivado el entusiasmo por estas rutas técnicas que alguna vez fueron abandonadas. El 15 de junio de 2021, Honda anunció el cierre de la planta de Sayama en Japón y la descontinuación del vehículo de celda de combustible de hidrógeno CLARITYFUELCELL. El automóvil eléctrico se producirá en su centro de fabricación de alto rendimiento en Ohio, EE. UU.

Toyota también ha estado probando continuamente modelos de motores de combustión interna de hidrógeno en los últimos años como reserva técnica. Por supuesto, esta vez estamos hablando principalmente de vehículos de pila de combustible. En cuanto a los motores de combustión interna de hidrógeno o los híbridos de hidrógeno, si estás interesado, podemos encontrar otra oportunidad para hablar en detalle.

Tanto BMW como Mazda han lanzado modelos híbridos de hidrógeno. Entre ellos, el Hydrogen 7 de BMW ha lanzado versiones de dos generaciones E38/E65, mientras que el RX8 Hydrogen RE de Mazda ha producido 30 unidades en serie. El primer coche del autor es el RX8 de Mazda, así que cuando se lanzó la versión de hidrógeno, le presté especial atención durante un tiempo.

Motor de combustión interna de hidrógeno V8 desarrollado conjuntamente por Toyota y Yamaha

Puede hacer que muchos amigos a los que les gustan los vehículos de combustible de gran cilindrada vean la esperanza de que aún puedan conducir vehículos de gran cilindrada en el futuro

. por qué es difícil para nosotros ver vehículos de pila de combustible ahora. Normalmente les doy explicaciones unilaterales. La dirección de desarrollo de los vehículos de celdas de combustible es principalmente vehículos comerciales en lugar de vehículos de pasajeros. De hecho, si presta atención a algunas ciudades de demostración de energía de hidrógeno, aunque todavía no se ven vehículos de pasajeros con celdas de combustible, puede haber vehículos sanitarios, autobuses, basura. Los vehículos con celdas de combustible de vehículos comerciales como camiones y vehículos logísticos ya están en la carretera. .

Además, dado que las actuales estaciones de reabastecimiento de hidrógeno y la construcción de la red de tuberías de energía de hidrógeno de mi país no pueden satisfacer las necesidades del mercado de automóviles de pasajeros, los automóviles de pasajeros solo se prueban parcialmente en Guangdong y Shanghái. Con la infraestructura actual, los turismos se promoverán ampliamente. Las condiciones aún no están disponibles. Según las estadísticas, el volumen de ventas de vehículos de pila de combustible en mi país de enero a octubre de este año es de unos 3.000, de los cuales el volumen de ventas de vehículos de pasajeros es inferior al 5%. Por lo tanto, primero acumular experiencia técnica en la industria a través de vehículos comerciales y aumentar la inversión en construcción de infraestructura, será más propicio para el desarrollo futuro del mercado de automóviles de pasajeros con celdas de combustible.

Las celdas de combustible de hidrógeno no solo tienen las características de una batería de larga duración, sino que también su vida útil no se ve afectada por la temperatura y el medio ambiente. Se puede utilizar como un método de conducción ideal para herramientas de producción. Sin embargo, debido al alto precio actual del hidrógeno, todavía se necesita mucho apoyo político para estimular el mercado.

Aunque algunos fabricantes de automóviles de pasajeros en mi país han lanzado modelos de celdas de combustible, la dirección de desarrollo actual del país es principalmente vehículos comerciales, como SAIC, Weichai, Foton, Yutong, Zhongtong, Jiangling, Mercedes-Benz, etc., están desarrollando activamente hidrógeno- vehículos comerciales motorizados. Mirando hacia arriba y hacia abajo de la cadena industrial, aunque algunas tecnologías en mi país están relativamente por detrás de las mismas industrias en Europa y los Estados Unidos, debido a que la política de mercado actual de mi país está más inclinada a los vehículos comerciales, el umbral técnico a cruzar es más alto. . Con la expansión gradual del mercado, en la tecnología Mientras madura gradualmente, el costo disminuirá gradualmente.

Cuello de botella de la industrialización de los vehículos de pila de combustible

Como se mencionó anteriormente, el mayor cuello de botella de los vehículos de pila de combustible en esta etapa sigue siendo el suministro de hidrógeno. Podemos tomar como ejemplo el número actual de gasolineras y el kilometraje de carreteras en Beijing. A partir de ahora, el kilometraje de las carreteras en Beijing es de unos 22.300 kilómetros y hay unas 1.030 gasolineras. Solo 14 estaciones de servicio de hidrógeno están actualmente en uso. Se puede encontrar una gasolinera cada 21,6 kilómetros, mientras que una estación de repostaje de hidrógeno debe encontrarse cada 1592 kilómetros.

En la actualidad, la mayoría de las estaciones de servicio de hidrógeno de Beijing están ubicadas en los suburbios, que alguna vez fueron instalaciones de apoyo para los Juegos Olímpicos de Invierno. Aunque Beijing actualmente tiene un plan para construir y poner en funcionamiento 74 estaciones de servicio de hidrógeno para 2025, en comparación con la cantidad de estaciones de servicio, todavía hay más de un orden de magnitud peor.

Corea del Sur es el país con la promoción de vehículos de pila de combustible más rápida del mundo. En la actualidad, Corea del Sur cuenta con más de 23.000 vehículos de pila de combustible en funcionamiento, mientras que mi país cuenta con unos 5.000 vehículos en funcionamiento. Hasta el momento, mi país tiene 290 estaciones de servicio de hidrógeno, mientras que Corea del Sur solo tiene más de 120 estaciones de servicio de hidrógeno. Para el tercer trimestre de este año, las ventas acumuladas en mi país fueron 11.027 y las ventas acumuladas en Corea del Sur fueron 31.596. Calculado por la proporción de ventas acumuladas de vehículos de pila de combustible a estaciones de servicio de hidrógeno, la proporción de vehículos en mi país es 38,02:1 y la proporción de estaciones en Corea del Sur es 263,3:1.

Pero un problema práctico es que nuestro país tiene una gran extensión territorial. Las 290 estaciones de servicio de hidrógeno previstas por el gobierno local están distribuidas en 27 provincias en un terreno de 960 kilómetros cuadrados en todo el país. El área promedio atendida por cada estación de servicio de hidrógeno es de 33.100 kilómetros cuadrados. , incluso si las estaciones de servicio de hidrógeno están distribuidas en áreas relativamente desarrolladas económicamente, calculamos en base al 50% de la superficie terrestre del país, y el radio de radiación promedio de cada estación de servicio de hidrógeno es de 16.550 kilómetros cuadrados; mientras que las 120 estaciones de servicio de hidrógeno de Corea del Sur están distribuidas en 103.300 kilómetros cuadrados. En el territorio nacional, el área promedio radiada por cada estación de servicio de hidrógeno es de solo 860 kilómetros cuadrados.

La provincia de Guangdong de mi país tiene 179.700 kilómetros cuadrados, lo que supera la superficie terrestre total de Corea del Sur. Se puede ver que incluso la provincia de Guangdong, que tiene la mayor cantidad de estaciones de servicio de hidrógeno, no puede alcanzar la densidad de las estaciones de servicio de hidrógeno de Corea del Sur. Originalmente, las estaciones de servicio de hidrógeno en la provincia de Guangdong se concentraron principalmente en la ciudad de Foshan. La densidad de estaciones de servicio de hidrógeno en esta área ya es muy alta, pero hay escasez tanto de producción de hidrógeno de energía fósil como de subproductos industriales, y la producción de hidrógeno a partir de energías renovables aún no ha comenzado. El costo del hidrógeno es demasiado alto, lo que resulta en la pérdida de vehículos operativos, y la enorme brecha en el suministro de hidrógeno no puede satisfacer la demanda de trabajo a plena carga de las estaciones de servicio de hidrógeno.

Además, debido a que el grado de comercialización general de la cadena industrial global de celdas de combustible no es alto y la escala no es lo suficientemente grande, el costo relativo es relativamente alto. Y si la celda de combustible quiere lograr el estándar ideal de protección ambiental de cero emisiones tanto como sea posible, además de la fuente de hidrógeno debe ser hidrógeno verde producido por electricidad verde, la electricidad verde también debe usarse tanto como sea posible en la producción proceso del equipo.

Aunque los proyectos actuales de energía eólica y fotovoltaica verde de mi país se están desarrollando rápidamente, en comparación con la energía térmica, todavía hay una cierta diferencia en los precios de la electricidad en algunas áreas donde la energía eólica y la fotovoltaica están poco desarrolladas. Puede que no haya mucha diferencia para uso personal, pero en la producción industrial seguirá aumentando el costo total de producción.

El futuro de los vehículos de pila de combustible

En la actualidad, aunque algunas empresas en mi país, como Guangzhou Automobile, Hongqi, Changan, Haima, SAIC, etc., están desarrollando vehículos de pasajeros con celdas de combustible, y Toyota también ha comenzado las ventas de Mirai II en China, el precio es generalmente más alto que el de los vehículos con batería de litio, y Lo más importante es que los consumidores tienen que enfrentar el punto de dolor de las dificultades de reabastecimiento de hidrógeno.

Aunque los vehículos de pila de combustible aún no se han abierto en el mercado de vehículos de nueva energía, el aumento de las ventas depende más del desarrollo de políticas, pero este en sí mismo es un nuevo vehículo de energía desde la entrada en vigor.

El proceso que se debe vivir en el mercado es ir resolviendo paulatinamente las correspondientes infraestructuras de apoyo a las instalaciones mediante la prueba de vehículos comerciales en un recorrido relativamente fijo, y seguir aumentando la densidad.

Desde la perspectiva de países desarrollados como Europa, Estados Unidos, Japón y Corea del Sur, todos comenzaron con vehículos de celdas de combustible en la etapa inicial, pero encontraron cuellos de botella en el suministro de energía de hidrógeno durante el proceso de desarrollo y luego regresaron. invertir en proyectos de producción, almacenamiento y transporte de hidrógeno. La situación actual en mi país es similar. Durante las últimas dos décadas, el foco de atención e inversión ha estado en las celdas de combustible, pero los proyectos de estaciones de reabastecimiento de hidrógeno y electrolizadores se han acelerado significativamente en los últimos dos años.

Al mismo tiempo, con el progreso tecnológico y el desarrollo a gran escala, el costo de producción de la parte anterior y posterior de la cadena industrial puede reducirse considerablemente. Los vehículos de celdas de combustible dependen de su protección ambiental, reposición de energía conveniente y muchas ventajas que no se ven afectadas por factores ambientales. Cuando las condiciones de infraestructura estén maduras, la situación se puede abrir.

A juzgar por los planes de energía de hidrógeno emitidos por varias regiones, el período de demostración en la mayoría de las regiones todavía está dominado por vehículos comerciales hasta 2025, y los planes para 2030 en algunas regiones involucran vehículos de pasajeros. Sin embargo, creemos que el desarrollo de vehículos de pasajeros con celdas de combustible es más un mercado dominado por los fabricantes de vehículos después de que la infraestructura esté relativamente madura y el costo cumpla con las expectativas del mercado. Para 2030, el costo de las celdas de combustible se reducirá de los 4000 yuanes/kW actuales a 1000 yuanes/kW, el costo del hidrógeno se reducirá a 25 yuanes/kg. Con las ventajas de rendimiento superior de las pilas de combustible, tenemos buenas expectativas para sus perspectivas de aplicación.

En cuanto a si las pilas de combustible o la combustión interna de hidrógeno se convertirán en el futuro, no hay mucho conflicto entre estos dos productos en la raíz. Creo que el resultado final del mercado de consumo aún debe ser decidido por los consumidores.