Análisis en profundidad de la cadena industrial de pilas de combustible
En la cadena de la industria de las pilas de combustible de hidrógeno, la fase inicial es la preparación, el transporte y el almacenamiento de hidrógeno. El sistema de pilas de combustible de hidrógeno se llena con hidrógeno en la estación de hidrogenación; componentes como la corriente media de la pila En la producción, las pilas y los accesorios se integran para formar un sistema de pila de combustible de hidrógeno en el nivel de aplicación posterior, hay tres direcciones principales: transporte, suministro de energía portátil, suministro de energía fijo; es la producción y venta de vehículos a batería.
Pila de pilas de combustible
La pila de pilas de combustible es el corazón de la industria de vehículos de pila de combustible y representa más del 60 % del coste del sistema de pilas de combustible, y el umbral técnico es alto.
La pila de pilas de combustible se compone principalmente de catalizadores, membranas de intercambio de protones, capas de difusión de gas, placas bipolares y otros componentes estructurales como sellos, placas terminales y placas colectoras.
La cadena industrial nacional de pilas de combustible está comenzando a tomar forma, con un conjunto completo de fabricantes de electrodos de membrana, membranas de intercambio de protones y placas bipolares con capacidades de localización, y las capas de difusión de gas se suministran en pequeños lotes. , y los catalizadores tienen capacidades de investigación y desarrollo.
En comparación con las pilas de pilas de combustible extranjeras, las pilas de pilas de combustible nacionales todavía tienen deficiencias en los materiales centrales y las tecnologías clave, lo que también es la razón principal del alto costo de las pilas de pilas de combustible. Por lo tanto, reducir el coste de las pilas de combustible sigue siendo la clave para la comercialización de vehículos de pila de combustible.
Estructura de la pila de combustible: electrodos de membrana y placas bipolares se apilan formando un apilamiento.
Placa bipolar: el "esqueleto" de la pila de baterías
La placa bipolar es el "esqueleto" de la pila de baterías, que está compuesta por electrodos de membrana apilados. Las placas bipolares desempeñan un papel en las pilas de combustible al soportar, recoger corriente, proporcionar canales para el refrigerante y separar oxidantes y reductores. Su rendimiento afectará directamente el volumen, la potencia de salida y la vida útil de la pila.
Las placas bipolares se dividen principalmente en placas de grafito, placas metálicas y placas compuestas según sus materiales.
En la actualidad, las placas de grafito son los principales productos en China y las placas de metal serán la tecnología principal en el futuro. Los vehículos comerciales suelen estar equipados con placas de grafito, mientras que los turismos están equipados con placas de metal debido a su mayor necesidad de espacio.
Placa bipolar de grafito
La placa bipolar de grafito es actualmente el material más utilizado en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y tiene buena conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia a la corrosión. A menudo se utiliza en el campo de los vehículos comerciales.
En la actualidad, las láminas de grafito están relativamente maduras en tecnología y comercialización, ocupan una gran participación de mercado y es difícil reducir aún más los costos. A medida que la industria se desarrolla, es necesario esperar a que las reducciones de costos generadas por las actualizaciones tecnológicas de los materiales de grafito estimulen la demanda.
El espesor de la placa bipolar de grafito es de aproximadamente 2 ~ 3,7 mm. Se procesa mediante una fresadora para darle una determinada forma del tanque de desviación y el canal de líquido. El diseño y la tecnología de procesamiento del canal de flujo son. estrechamente relacionado con el rendimiento de la batería.
Las placas bipolares de grafito tienen barreras técnicas bajas. Las empresas extranjeras representativas incluyen Poco de Estados Unidos y Ballard de Canadá. La tecnología nacional ha alcanzado el nivel internacional de primera clase. Las empresas representativas incluyen Shanghai Lishen (una subsidiaria de Yihuatong), Shanghai Hongfeng, Zibo Lianqiang, Shanghai Hongjun, Guohong Hydrogen Energy, etc. Entre ellas, los productos de Shanghai Hongfeng se han exportado al extranjero. La tecnología de placa bipolar de grafito con energía de hidrógeno de Guo Hong está madura y puede producirse en masa y personalizarse. _
Fuente de la imagen: sitio web oficial de Shanghai Lishen
Placas bipolares de metal
Las placas bipolares de metal son relativamente fáciles de corroer, pero son pequeñas en tamaño y tienen una Ciclo de producción corto. Es fácil de producir en masa rápidamente y puede usarse en el campo de los automóviles de pasajeros. Las empresas extranjeras representativas incluyen Danai de Estados Unidos y Honda de Japón.
Las placas bipolares de metal serán la dirección del desarrollo futuro. Se espera que la empresa que toma la delantera en el dominio de la producción en masa nacional de láminas de metal aproveche la oportunidad en el mercado de vehículos de pasajeros con pila de combustible. Las empresas nacionales representativas incluyen Shanghai Zhizhen, Shanghai Geyou, Xinyuan Power, Chery Automobile, etc.
Shanghai Zhizhen puede realizar la localización y producción en masa de placas bipolares. La producción anual diseñada puede alcanzar los 500.000 pares, que se pueden utilizar para al menos 1.500 FCV. Ha suministrado pilas de placas metálicas de hidrógeno SAIC en pequeños lotes.
Placa bipolar compuesta
La placa bipolar compuesta combina la resistencia a la corrosión del grafito y la alta resistencia del metal, y tiene el mejor efecto. Sin embargo, el procesamiento es engorroso y el costo es alto. , y no ha estado disponible a gran escala.
En términos generales, la sustitución doméstica de placas bipolares se ha desarrollado hasta cierto nivel. En el proceso de cambio tecnológico de placas bipolares de grafito a placas bipolares de metal, se ha logrado gradualmente una localización completa. Los fabricantes nacionales como Xinyuan Electric Power, Wuhan Himalaya Optoelectronics y Hydrogen Power tienen capacidades de I+D.
Electrodo de membrana: el núcleo de la tecnología de pilas de combustible
_El electrodo de membrana y las placas bipolares de ambos lados constituyen la unidad básica de la pila de combustible.
El electrodo de membrana es el componente central de la pila de combustible. Como lugar de reacciones químicas, consta de un catalizador, una capa de difusión de gases y una membrana de intercambio de protones.
El conjunto de electrodos de membrana consiste en colocar dos electrodos de papel de fibra de carbono rociados con solución de Nafion y catalizador de Pt en ambos lados de la membrana de intercambio de protones pretratada, de modo que el catalizador quede cerca de la membrana de intercambio de protones, y al una cierta temperatura y se forma bajo presión.
Catalizador
En una pila de combustible, un catalizador actúa para descomponer el hidrógeno y el oxígeno en reacciones electroquímicas para producir electricidad.
El catalizador comercial actual es un catalizador de platino-carbono. El elevado coste del metal raro platino es uno de los principales obstáculos para la comercialización de pilas de combustible.
Cantidad de catalizadores extraños conseguidos.
Los tres gigantes de los fabricantes mundiales de catalizadores son BASF de Alemania, Johnson & Johnson Toyomaru del Reino Unido y Umico de Bélgica, con una cuota de mercado global de aproximadamente el 90 % y una cuota de mercado nacional de aproximadamente el 70 %. %. Ha podido lograr una producción en masa (más de 10 kg/lote), con un rendimiento estable y alta confiabilidad.
Los fabricantes nacionales de catalizadores, incluidos Guiyan Platinum, Zhongzi Technology, Huachang Chemical, Shanghai Tangfeng, Wuhan Himalaya, Shanghai Jiping New Energy, etc., también participan en la investigación y el desarrollo de productos relacionados.
Membrana de intercambio de protones
La membrana de intercambio de protones se encuentra al final de la cadena de la industria química del flúor orgánico. Su flujo ascendente son los materiales monómeros de productos químicos de flúor orgánico, y su flujo descendente es la industria cloro-álcalina, las pilas de combustible, la electrólisis del agua, las baterías de almacenamiento de energía basadas en membranas de intercambio de protones y otros campos de aplicación.
La membrana de intercambio de protones es el componente central de la pila de combustible. Su espesor, estabilidad química y conductividad de protones afectan directamente el rendimiento general de la pila de combustible, por lo que existen altos requisitos para el rendimiento del intercambio de protones. membrana.
Las principales incluyen DuPont, Chemours, Dow, 3M, Gore, la belga Solvay, la japonesa Asahi Glass, Asahi Kasei, así como más de diez empresas nacionales como Dongyue Group y Pan Asia Micro Transmission.
China Dongyue Group tiene una cadena industrial completa de resinas de ácido perfluorosulfónico y es la empresa más grande del mercado nacional después de Gore y Comu. Tiene toda la cadena industrial de materias primas, intermedios, monómeros y membranas poliméricas, y ha construido la única línea de producción de síntesis de resina de membrana de protones de ácido perfluórico en China. En la actualidad, se ha logrado la producción en masa y el suministro de producción en masa.
El principio de funcionamiento de la pila de pilas de combustible;
Capa de difusión de gas
La capa de difusión de gas (GDL) se encuentra entre la capa del campo de flujo de gas y la capa catalítica y está compuesta de carbono. Compuesta de papel y agente impermeabilizante PTFE, desempeña un papel importante en el soporte de electrodos de membrana, la recolección de corriente, la conducción de gases y el control del agua de reacción (gas) y el calor.
Fuente: Compañía Nacional de Teléfonos Públicos
Las empresas extranjeras han logrado una producción en masa con tecnología madura. Fabricantes extranjeros como Toray y Mitsubishi, Sigri y Feudenberg, el estadounidense AvCarb y el surcoreano JNTG han logrado una producción a gran escala de capas de difusión de gas y todos tienen una variedad de productos adecuados para diferentes escenarios de aplicación.
En la actualidad, la tecnología de capa de difusión de gas nacional todavía se está explorando. La tecnología de laboratorio de material de papel carbón puede compararse con algunos productos avanzados internacionales, pero todavía existe una cierta brecha para lograr la producción de productos a gran escala.
Las empresas de capas de difusión de gas más conocidas en China incluyen principalmente Antai Technology, General Hydrogen Energy, Jiangsu Hydrogen Electricity, Jiangsu Qingneng, Shanghai Hesen Electric, etc.
El preventor de reventones es el entorno clave para el funcionamiento estable del grupo de preventor de reventones.
El equipo auxiliar correspondiente (BOP, BalanceOfPlant) es el entorno clave para el funcionamiento estable de la pila. .
Se puede ver claramente en la descripción general del futuro sistema combinado de pila de combustible del Toyota Mirai que el componente BOP del sistema de pila de combustible proporciona el entorno externo necesario para la pila y guía el flujo efectivo de hidrógeno, aire y agua de condensación. La organización secuencial y la cooperación son factores importantes para el funcionamiento estable de la pila.
Para BOP, su estructura de costos está relativamente dispersa y los compresores de aire y los motores son algunos de los componentes centrales del circuito de gas.
Descripción general del futuro sistema combinado de pila de combustible de Mirai;
Compresor de aire: componente central del sistema de pila de combustible_
El compresor de aire de pila de combustible puede mejorar enormemente el rendimiento de la pila de energía . Hay muchos tipos, entre los cuales los compresores centrífugos tienen mejores efectos generales en términos de densidad, eficiencia, ruido, etc., y son la principal dirección de desarrollo.
En términos de tasa de localización, el compresor de aire es un componente clave de la pila de combustible con un alto grado de localización en mi país.
Según las estadísticas de Yinshi, en comparación con otros productos de sistemas auxiliares, los compresores de aire lograron la localización del rango de potencia completo antes y la tasa de localización actual es cercana al 100%.
En los últimos dos años, los principales proveedores de compresores de aire de pila de combustible en el mercado nacional incluyen Yeti, Shijia Turbo, Kingston Technology, Pingli Technology, Yantai East German Industry, German Combustion Power, Ice Wheel Environment y otras empresas.
Estructura del mercado de instalación de sistemas de pilas de combustible
En general, la capacidad instalada de pilas de combustible de hidrógeno en mi país ha crecido rápidamente en los últimos años. Actualmente hay muchos pedidos regionales en el mercado y cada vez hay más competidores que suministran productos al por mayor. La competencia en el mercado ha aumentado de mayor a menor y la concentración del mercado ha disminuido año tras año. El CR5 en 2020 es del 64%, una disminución de 65,438+04% desde 2065,438+09, y se espera que disminuya en 2-3 años.
La proporción de instalaciones de los tres sistemas de motores de vehículos de pila de combustible TOP3 en 2020 es de 16. % en Edelman, 15. % de Yi Huatong, reconstrucción de Guo Hong 65, 438 + 02%.
Gracias a la localización acelerada de materiales centrales y componentes clave, el precio de los sistemas y pilas de pilas de combustible en mi país se ha reducido entre un 30 % y un 50 % en 2020.
En los próximos años, con la escala de los componentes básicos nacionales y la competencia intensificada, se espera que el precio de las pilas caiga a una tasa anual del 25% al 30% en los próximos años.
En la actualidad, la industria de pilas de combustible de mi país se está desarrollando rápidamente, pero se centra principalmente en operaciones de demostración y ensamblaje de vehículos. Hay pocas tecnologías centrales como pilas, electrodos de membrana y placas bipolares en la cadena industrial. .
Desde la perspectiva de indicadores técnicos como la integración del sistema de energía de pilas de combustible, la adaptabilidad ambiental, la confiabilidad y la vida útil, el control de costos y el almacenamiento de hidrógeno, el nivel nacional está lejos del nivel internacional. En la actualidad, coexisten la investigación y el desarrollo independientes nacionales y los fabricantes extranjeros de tecnología madura, pero es necesario mejorar urgentemente el rendimiento del material y la producción de los componentes clave.