Mingming do mercado da cultura automobilística tem seu próprio pequeno círculo no campo do consumo de automóveis. O que eles mais se preocupam com a indústria de energia de hidrogênio é se os veículos com célula de combustível têm alguma vantagem? Quando será tão popular quanto os carros com bateria de íon-lítio? Este é um artigo voltado para o consumidor.


Como sirvo a indústria da cultura automobilística por muitos anos, depois de mudar para a indústria de energia de hidrogênio, ainda falarei sobre tópicos relacionados a automóveis com alguns amigos ao meu redor, então mencionarei as perspectivas de desenvolvimento de veículos com célula de combustível no futuro automóvel. mercado de vez em quando. No entanto, como os veículos com bateria de lítio são relativamente populares no mercado hoje, quando menciono veículos com célula de combustível, muitos amigos ainda tendem a confundir o conceito de veículos com célula de combustível com o princípio de funcionamento dos veículos com bateria de lítio. Em resposta a esse fenômeno, desta vez falaremos brevemente sobre o princípio de funcionamento dos veículos com célula de combustível e componentes principais relacionados, bem como as diferenças entre eles e os motores de combustão interna e as baterias de lítio.

Células de combustível não são "baterias"

Sim, estritamente falando, embora as células de combustível sejam chamadas de baterias, elas não são realmente "baterias" que entendemos como puramente para armazenamento de energia, como baterias de chumbo-ácido e baterias de lítio. Literalmente, "Uma "bateria" é um "reservatório" de eletricidade, um dispositivo que armazena energia elétrica.

O princípio de funcionamento da célula de combustível é um dispositivo que converte a energia química do combustível em energia elétrica por meio de reações redox. Ao contrário das baterias comuns que armazenam e liberam energia por meio de carga e descarga, as células de combustível podem obter descarga contínua adicionando combustível continuamente. O efeito, em termos simples, de seu processo de trabalho é gerar eletricidade adicionando combustível para continuar a reação de oxidação-redução. O combustível mais comumente usado é o hidrogênio, e o hidrogênio e o oxigênio nos eletrodos positivo e negativo produzem reações de oxidação-redução através do eletrólito. Durante o processo, os elétrons são conduzidos do ânodo para o cátodo, formando assim uma corrente.

Portanto, pode-se dizer também que um veículo com célula de combustível combina as características de um veículo com motor de combustão interna e um veículo com bateria de lítio. Ele pode não apenas manter a vida útil da bateria reabastecendo rapidamente o combustível (hidrogênio), mas também porque gera principalmente eletricidade e as emissões são eletrólise de hidrogênio e oxigênio. A água formada pela reação retrógrada da água pode, portanto, atingir um carregamento rápido e eficiente e também atender aos verdadeiros requisitos de proteção ambiental de emissão zero, compensando as deficiências dos motores de combustão interna e das baterias de lítio.

O processo de desenvolvimento das células de combustível

Em 1839, o físico britânico William Grove (William Robert Grove) produziu a primeira célula de combustível. A teoria na revista, Grove verificou e aperfeiçoou a teoria no ano seguinte depois de vê-la e publicou o esboço do projeto da célula de combustível no "Philosophical Journal and Journal of Science" em 1842

O projeto de Grove usava uma solução de ácido sulfúrico como eletrólito, em uma forma mais semelhante às baterias de chumbo-ácido de hoje. Não foi até 1955, após o aperfeiçoamento de W. Thomas Grubb, um engenheiro químico elétrico geral, que realmente surgiu uma célula de combustível usando uma membrana de troca iônica de poliestireno sulfonado como eletrólito e, três anos depois, seu colega da General Electric, Leonard Niedrach ainda trouxe platina para a membrana de troca como um catalisador para a reação de redução e a chamou de "célula de combustível Grubb-Niedrach", até agora lançou o protótipo básico da moderna célula de combustível PEM.

Sob o desenvolvimento conjunto da NASA e da General Electric no período posterior, as células de combustível também foram aplicadas em muitos projetos comerciais e aeroespaciais. A fonte de água. Em 1991, o cientista americano Roger E. Billings (Roger E. Billings) fabricou com sucesso o primeiro veículo movido a célula de combustível de hidrogênio - LaserCel 1, que abriu oficialmente o prelúdio para veículos com célula de combustível de hidrogênio. .

O primeiro veículo com célula de combustível feito por Roger Billings - LaserCel 1, pode-se ver que o protótipo é um Ford Fiesta original

Nesta fase, a aplicação da tecnologia de células de combustível no mundo entrou no estágio de desenvolvimento da industrialização, mas o mais amplamente utilizado é o calor doméstico e a cogeração de energia. No Japão, este produto vendeu mais de 400.000 unidades e já é econômico. Foram o Toyota Mirai e o Hyundai NEXO que realmente introduziram os veículos com célula de combustível na industrialização. Em 2014, a Toyota anunciou que o custo total das células de combustível caiu para 1/20 do que em 2008, o que se tornou um ponto de virada na industrialização global de veículos com células de combustível. A China ainda está na fase de verificação de células de combustível, enquanto os Estados Unidos estão verificando por meio da aplicação em larga escala de empilhadeiras.

Vantagens e Desvantagens das Células de Combustível

Livrar-se das restrições de recursos e restrições ambientais é o objetivo principal do desenvolvimento de novas energias. Em primeiro lugar, o hidrogênio tem uma ampla gama de fontes e não é limitado por recursos. Atualmente, o catalisador de célula de combustível usa recursos de platina, mas em comparação com os 30 kg de carbonato de lítio necessários para cada veículo de baterias de lítio, o consumo de platina das células de combustível é calculado em gramas e a recuperação de platina atinge mais de 90% e o custo de recuperação é menor do que os custos de extração de recursos, portanto, as células de combustível basicamente não estão sujeitas a restrições de recursos.

Em segundo lugar, do ponto de vista do pico de carbono, o uso de eletricidade verde para produzir hidrogênio verde pode realmente alcançar viagens verdes. Veículos com células de combustível consomem hidrogênio e excretam água, e quase não há poluição no processo de recuperação da platina.

Em terceiro lugar, os consumidores estão mais preocupados com a experiência de dirigir. Demora cerca de 3-5 minutos para adicionar hidrogênio a um veículo com célula de combustível (veículos comerciais em 15 minutos), e pode durar cerca de 600-800 km, e pode iniciar normalmente abaixo de 30 graus negativos, e não há problema de bateria perda de energia. Obviamente, em regiões frias Reduziu muita ansiedade. O plano inicial para os Jogos Olímpicos de Inverno de Pequim não era um veículo com célula de combustível. Foi alterado para um plano de veículo com célula de combustível porque as baterias de lítio não eram adequadas para o clima de baixa temperatura em Yanqing e Zhangjiakou. Desta vez, os 1.200 veículos com célula de combustível comprovaram bem esse desempenho.

A quarta é a segurança. A própria célula de combustível não armazena energia, portanto a segurança no carro é relativamente alta.

A desvantagem é que a energia do hidrogênio é o gás mais leve, muito difícil de gerenciar, e os requisitos de segurança no processo de armazenamento e transporte também são altos, e os custos correspondentes de armazenamento e transporte são relativamente altos. Esta é a maior desvantagem do desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio. Isso também promoveu o desenvolvimento de várias tecnologias de armazenamento de hidrogênio, incluindo hidrogênio líquido, armazenamento de hidrogênio em estado sólido e armazenamento de hidrogênio composto orgânico.

Situação atual e trajetórias divergentes dos veículos movidos a célula de combustível

Os cenários de aplicação das células de combustível são bastante ricos, como navios, empilhadeiras, foguetes, aeronaves, fontes de alimentação distribuídas, etc. A razão pela qual os veículos com células de combustível têm recebido mais atenção é que seu mercado comercial é relativamente amplo. Uma vez maduro, a velocidade de implementação e popularização é relativamente rápida e pode ter um grande impacto em toda a indústria.

Embora a energia do hidrogênio e as células de combustível tenham sido desenvolvidas e inseridas no campo comercial por muitos anos, elas ainda estão longe dos consumidores comuns. Veículos com célula de combustível de hidrogênio podem efetivamente encurtar essa distância e melhorar a visão inerente dos consumidores sobre a energia do hidrogênio.

No entanto, existem algumas diferenças nos caminhos de desenvolvimento de vários países. Os protótipos desenvolvidos pelas principais montadoras nos primeiros dias são todos carros de passeio, e os modelos produzidos em massa no Japão e na Coréia do Sul também são carros de passeio, mas a China e os Estados Unidos são principalmente veículos comerciais.

Desde que a Billings produziu o primeiro veículo com célula de combustível, muitos fabricantes também viram a perspectiva de mercado e o potencial de proteção ambiental da energia do hidrogênio. Depois de entrar no século 21, os principais fabricantes também lançaram alguns carros-conceito de veículos com célula de combustível de hidrogênio ou um carro de teste, mas no período posterior, devido ao vigoroso desenvolvimento do mercado de baterias de lítio, muitos fabricantes tiveram que arquivar temporariamente ou cancelar a célula de combustível plano de veículo.

Com o aumento do custo dos recursos de lítio, algumas montadoras tradicionais retornaram gradualmente ao campo de veículos com célula de combustível nos últimos anos, como Toyota, Honda, Nissan, Daimler, BMW, Hyundai, Kia, GM, etc., anunciaram o plano de desenvolvimento para veículos com célula de combustível.

De acordo com as estatísticas da revista "Car and Drive", a partir de 2022, existem atualmente cerca de 15.000 veículos com célula de combustível de hidrogênio nas estradas da Califórnia e, com o desenvolvimento de estações de reabastecimento de hidrogênio e sistemas de armazenamento e transporte de energia de hidrogênio, é acreditava que os veículos com células de combustível O estoque aumentará gradualmente.

Além do Japão, a Califórnia é atualmente o maior mercado de Mirai

É também um dos dois mercados no mundo onde os veículos com célula de combustível venderam mais de 10.000 unidades.

Nossa exploração de veículos movidos a hidrogênio não se limita às células de combustível. Tanto a BMW quanto a Mazda lançaram modelos híbridos de hidrogênio e os lançaram como modelos produzidos em massa em pequena escala. No entanto, devido a razões técnicas e às duras condições de reabastecimento de hidrogênio da época, esses modelos só podem ser submersos no grande mercado automobilístico com uma produção anual de dezenas de milhões.

Mas nos últimos anos, com a demonstração e aplicação da indústria de energia de hidrogênio, seja no progresso tecnológico ou na construção de estações de reabastecimento de hidrogênio, o entusiasmo por essas rotas técnicas abandonadas foi reavivado. Em 15 de junho de 2021, a Honda anunciou o fechamento da fábrica de Sayama no Japão e a descontinuação do veículo com célula de combustível de hidrogênio CLARITYFUELCELL. O carro elétrico será produzido em seu centro de fabricação de alto desempenho em Ohio, EUA.

A Toyota também tem testado continuamente modelos de motores de combustão interna a hidrogênio nos últimos anos como reserva técnica. Claro, estamos falando principalmente de veículos com célula de combustível desta vez. Quanto aos motores de combustão interna de hidrogênio ou híbridos de hidrogênio, se você estiver interessado, podemos encontrar outra oportunidade para conversar em detalhes.

Tanto a BMW quanto a Mazda lançaram modelos híbridos de hidrogênio. Entre eles, o Hydrogen 7 da BMW lançou versões de duas gerações E38/E65, enquanto o RX8 Hydrogen RE da Mazda produziu 30 unidades em massa. O primeiro carro do autor é o Mazda RX8, então quando a versão movida a hidrogênio foi lançada, prestei atenção especial a ela por um tempo.

Motor de combustão interna V8 a hidrogênio desenvolvido em conjunto pela Toyota e Yamaha

Isso pode fazer com que muitos amigos que gostam de veículos movidos a combustível de grande cilindrada vejam a esperança de que ainda possam dirigir veículos de grande cilindrada no futuro

. por que é difícil para nós ver veículos com células de combustível agora. Eu costumo dar-lhes explicações unilaterais. A direção do desenvolvimento de veículos com célula de combustível é principalmente veículos comerciais, em vez de veículos de passageiros. De fato, se você prestar atenção em algumas cidades de demonstração de energia de hidrogênio, embora ainda não sejam vistos veículos de passageiros com célula de combustível, pode haver veículos de saneamento, ônibus, lixo Veículos com célula de combustível de veículos comerciais, como caminhões e veículos de logística, já estão na estrada .

Além disso, como as atuais estações de reabastecimento de hidrogênio e a construção da rede de oleodutos de energia de hidrogênio não podem atender às necessidades do mercado de automóveis de passageiros, os carros de passageiros são apenas parcialmente pilotados em Guangdong e Xangai. Com a infra-estrutura atual, os carros de passageiros serão amplamente promovidos. As condições ainda não estão disponíveis. Segundo as estatísticas, o volume de vendas de veículos com célula de combustível em meu país de janeiro a outubro deste ano é de cerca de 3.000, dos quais o volume de vendas de veículos de passageiros é inferior a 5%. Portanto, primeiro acumular experiência técnica na indústria por meio de veículos comerciais e aumentar o investimento na construção de infraestrutura, será mais propício para o desenvolvimento futuro do mercado de automóveis de passageiros com célula de combustível.

Células de combustível de hidrogênio não só têm as características de bateria de longa duração, mas também sua vida útil da bateria não é afetada pela temperatura e ambiente. Pode ser usado como um método de condução ideal para ferramentas de produção. No entanto, devido ao alto preço atual do hidrogênio, ainda é necessário muito apoio político para estimular o mercado.

Embora alguns fabricantes de automóveis de passageiros em meu país tenham lançado modelos de células de combustível, a direção de desenvolvimento atual do país é principalmente veículos comerciais, como SAIC, Weichai, Foton, Yutong, Zhongtong, Jiangling, Mercedes-Benz, etc., estão desenvolvendo ativamente hidrogênio- veículos comerciais motorizados. Olhando a montante e a jusante da cadeia industrial, embora algumas tecnologias em meu país estejam relativamente atrasadas em relação às mesmas indústrias na Europa e nos Estados Unidos, porque a atual política de mercado do meu país é mais voltada para veículos comerciais, o limite técnico a ser ultrapassado é maior . Com a expansão gradual do mercado, na tecnologia Enquanto amadurece gradualmente, o custo diminuirá gradualmente.

Gargalo da industrialização de veículos movidos a célula de combustível

Como mencionado acima, o maior gargalo dos veículos movidos a célula de combustível nesta fase ainda é o fornecimento de hidrogênio. Podemos tomar como exemplo o número atual de postos de gasolina e a quilometragem rodoviária em Pequim. A partir de agora, a quilometragem rodoviária em Pequim é de cerca de 22.300 quilômetros e existem cerca de 1.030 postos de gasolina. Atualmente, apenas 14 postos de abastecimento de hidrogênio estão em uso. Um posto de gasolina pode ser encontrado a cada 21,6 quilômetros, enquanto um posto de abastecimento de hidrogênio precisa ser encontrado a cada 1.592 quilômetros.

Atualmente, a maioria das estações de reabastecimento de hidrogênio de Pequim está localizada nos subúrbios, que já foram instalações de apoio para as Olimpíadas de Inverno. Embora Pequim tenha atualmente um plano para construir e colocar em uso 74 postos de abastecimento de hidrogênio até 2025, em comparação com o número de postos de gasolina Ainda mais do que uma ordem de grandeza pior.

A Coreia do Sul é o país com a promoção mais rápida de veículos movidos a célula de combustível no mundo. Atualmente, a Coréia do Sul tem mais de 23.000 veículos movidos a célula de combustível em operação, enquanto meu país tem cerca de 5.000 veículos em operação. Até agora, meu país tem 290 postos de abastecimento de hidrogênio, enquanto a Coreia do Sul tem apenas mais de 120 postos de abastecimento de hidrogênio. No terceiro trimestre deste ano, as vendas acumuladas em meu país foram de 11.027 e as vendas acumuladas na Coréia do Sul foram de 31.596. Calculado pela proporção de vendas cumulativas de veículos com célula de combustível para postos de abastecimento de hidrogênio, a proporção de veículos em meu país é de 38,02:1 e a proporção de postos na Coreia do Sul é de 263,3:1.

Mas um problema prático é que nosso país tem uma grande extensão territorial. Os 290 postos de abastecimento de hidrogênio planejados pelo governo local estão distribuídos em 27 províncias em um terreno de 960 quilômetros quadrados em todo o país. A área média atendida por cada posto de abastecimento de hidrogênio é de 33.100 quilômetros quadrados. , mesmo que os postos de abastecimento de hidrogênio estejam distribuídos em áreas relativamente desenvolvidas economicamente, calculamos com base em 50% da área terrestre do país, e o raio médio de radiação de cada posto de abastecimento de hidrogênio é de 16.550 quilômetros quadrados; enquanto os 120 postos de abastecimento de hidrogênio da Coreia do Sul estão distribuídos em 103.300 quilômetros quadrados. Na área terrestre nacional, a área média irradiada por cada posto de abastecimento de hidrogênio é de apenas 860 quilômetros quadrados.

a província de Guangdong do meu país tem 179.700 quilômetros quadrados, o que excede a área total da Coréia do Sul. Pode-se ver que mesmo a província de Guangdong, que tem o maior número de postos de abastecimento de hidrogênio, não consegue atingir a densidade dos postos de abastecimento de hidrogênio da Coréia do Sul. Originalmente, as estações de reabastecimento de hidrogênio na província de Guangdong concentravam-se principalmente na cidade de Foshan. A densidade de estações de reabastecimento de hidrogênio nesta área já é muito alta, mas há escassez de produção de hidrogênio de energia fóssil e hidrogênio de subproduto industrial, e a produção de hidrogênio a partir de energia renovável ainda não começou. O custo do hidrogênio é muito alto, resultando na perda de veículos operacionais, e a enorme lacuna no suprimento de hidrogênio não pode atender à demanda de trabalho de carga total dos postos de reabastecimento de hidrogênio.

Além disso, como o grau geral de comercialização da cadeia global da indústria de células de combustível não é alto e a escala não é grande o suficiente, o custo relativo é relativamente alto. E se a célula de combustível deseja atingir o máximo possível o padrão ideal de proteção ambiental de emissão zero, além da fonte de hidrogênio deve ser o hidrogênio verde produzido pela eletricidade verde, a eletricidade verde também deve ser usada o máximo possível na produção processo do equipamento.

Embora os projetos atuais de energia eólica e energia verde fotovoltaica em meu país estejam se desenvolvendo rapidamente, em comparação com a energia térmica, ainda há uma certa diferença nos preços da eletricidade em algumas áreas onde a energia eólica e fotovoltaica são subdesenvolvidas. Pode não haver muita diferença para uso pessoal, mas na produção industrial ainda aumentará o custo geral de produção.

O futuro dos veículos com célula de combustível

Atualmente, embora algumas empresas em meu país, como Guangzhou Automobile, Hongqi, Changan, Haima, SAIC, etc., estejam desenvolvendo veículos de passageiros com célula de combustível, e a Toyota também tenha iniciado as vendas do Mirai II na China, o preço geralmente superior ao dos veículos com bateria de lítio, e o mais importante é que os consumidores tenham que enfrentar o ponto doloroso das dificuldades de reabastecimento de hidrogênio.

Embora os veículos com célula de combustível ainda não tenham se aberto no mercado de veículos de nova energia, o aumento das vendas está mais dependente do desenvolvimento de políticas, mas isso em si é um veículo de nova energia desde a entrada em vigor.

O processo que deve ser experimentado no mercado é resolver gradualmente as instalações de suporte de infraestrutura relevantes através do julgamento de veículos comerciais em uma rota relativamente fixa e continuar aumentando a densidade.

Do ponto de vista dos países desenvolvidos, como Europa, Estados Unidos, Japão e Coréia do Sul, todos eles começaram com veículos de célula de combustível no estágio inicial, mas encontraram gargalos no fornecimento de energia de hidrogênio durante o processo de desenvolvimento e depois voltaram atrás. investir em projetos de produção, armazenamento e transporte de hidrogênio. A situação atual no meu país é semelhante. Nas últimas duas décadas, o foco de atenção e investimento tem sido em células de combustível, mas a estação de reabastecimento de hidrogênio e projetos de eletrolisadores aceleraram significativamente nos últimos dois anos.

Ao mesmo tempo, com o progresso tecnológico e o desenvolvimento em larga escala, o custo de produção a montante e a jusante da cadeia industrial pode ser bastante reduzido. Os veículos com célula de combustível contam com sua proteção ambiental, reabastecimento conveniente de energia e muitas vantagens que não são afetadas por fatores ambientais. Quando as condições de infraestrutura estiverem maduras, a situação poderá ser aberta.

A julgar pelos planos de energia de hidrogênio emitidos por várias regiões, o período de demonstração na maioria das regiões ainda é dominado por veículos comerciais até 2025, e os planos para 2030 em algumas regiões envolvem veículos de passageiros. No entanto, acreditamos que o desenvolvimento de veículos de passageiros com célula de combustível é mais um mercado dominado pelos fabricantes de veículos depois que a infraestrutura estiver relativamente madura e o custo atender às expectativas do mercado. Em 2030, o custo das células de combustível cairá dos atuais 4.000 yuan/kW para 1.000 yuan/kW, o custo do hidrogênio será reduzido para 25 yuan/kg. Com as vantagens de desempenho superior das células de combustível, temos boas expectativas para suas perspectivas de aplicação.

Quanto a se as células de combustível ou a combustão interna de hidrogênio se tornarão o futuro, não há muito conflito entre esses dois produtos na raiz. Acho que o resultado final do mercado consumidor ainda precisa ser decidido pelos consumidores.