复合材料在氢燃料电池的应用复材云集|复合材料

引言

在电池电动汽车产量增加的同时，燃料电池汽车预计也将快速增长，这两者都在推动复合材料及其成型工艺取得新的进展。

燃料电池

燃料电池产能。

根据国际能源署（IEA）的“2021全球氢回顾”报告，自2008年以来，汽车燃料电池的成本已下降了70%。到2021年年末，全球燃料电池的产能预计每年将超过20万个系统，由40多家制造商供货。

国际能源署（IEA）的“2021全球氢回顾”报告第83页

目前，日本丰田汽车公司每年生产3万个燃料电池系统，而韩国现代汽车公司正在建造第二家工厂，到2022年，其年产能将超过4万个系统，目标是到2030年达到每年50万个系统的产能。按照供应商们目前已经宣布的产能，到2030年，全球的年产能共计将达到130万个系统。

根据燃料电池与氢合资公司（Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking）撰写的“欧洲氢路线图”报告，到2030年，每22辆出售的乘用车中就有一辆是燃料电池电动汽车（FCEV），每12辆出售的轻型商用车（LCV）中就有一辆是燃料电池电动汽车，总计将有370万辆燃料电池乘用车和50万辆燃料电池轻型商用车出售。此外，到2030年，可能将有大约45000辆燃料电池货车和客车上路，同时，燃料电池火车也可能会取代大约570辆柴油火车。

gasforclimate2050.eu于2021年6月发布的报告“分析氢的未来需求、供应和运输”，对燃料电池在交通运输领域的增长作了进一步的分析，指出：氢是实现重型公路运输脱碳的一项有前景的选择，特别是远程车辆和重型公路运输。预计到2030年、2040年和2050年，氢燃料电池可以分别为5%、30%和55%的货车以及4%、21%和25%的客车提供动力。

燃料电池汽车。

在下述领导者们雄心勃勃的短期和长期目标的引领下，预计燃料电池汽车会得到进一步的增长：

韩国的氢经济路线图旨在到2022年产销81000辆氢燃料电池汽车；到2040年产销620万辆氢燃料电池汽车，包括4万辆燃料电池客车（FCB）和3万辆氢燃料电池（HFC）货车以及15GW的氢燃料电池发电厂。

日本政府希望到2030年实现80万辆燃料电池汽车的销售目标。

美国加州燃料电池合作伙伴宣布，到2030年实现100万辆燃料电池汽车的销售目标。

中国的氢燃料电池汽车技术路线图包括：到2020年产销5000辆燃料电池汽车，其中60%为商用车如客车，同时建造100个加氢站（HRS）；到2025年产销5万辆燃料电池汽车，其中80%为乘用车；到2030年产销100万辆燃料电池汽车。

荷兰气候协定的目标是：到2025年产销15000辆燃料电池汽车和3000辆氢燃料电池重型货车，到2030年产销30万辆燃料电池汽车。

法国的目标是：到2023年产销5000辆燃料电池汽车和200辆氢燃料电池货车，到2028年产销2万～5万辆燃料电池汽车和800～2000辆氢燃料电池货车。

2020年9月，参加第二届氢能源部长级会议的35个国家和国际组织达成了一项全球行动议程：到2030年实现1000万辆燃料电池汽车的产销量，鼓励在交通工具中使用氢和燃料电池。

质子交换膜燃料电池的关键部件双极板可以用金属或碳纤维复合材料制成，但一些公司如位于美国俄勒冈州Bend的巴拉德燃料电池系统公司却更喜欢复合材料，因为它们能以更低的成本提供更好的耐久性。‍

（a）为聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的主要部件，（b）为一个典型的膜电极组体（MEA）示意图

燃料电池中的复合材料

碳纤维复合材料可用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的双极板、气体扩散层、端板和其他系统组件。过去，热固性复合材料因成型周期较长、废品率较高以及不能生产出像冲压金属板一样薄的模压复合材料板，而被认为仅限于低产量和固定的应用。然而最近，这些问题已得到解决，从而使复合材料在将能量密度作为次要条件的高、低温质子交换膜燃料电池应用方面具有比金属更明显的优势。

由短切碳纤维和石墨填充的乙烯基酯团状模塑料（BMCs）在低温质子交换膜燃料电池的双极板中得到了广泛应用。随着产量的增加，BMC的成本还会大幅下降。同样，由于配方的改善以及能够制造出截面更薄的板材，曾经按分钟计算的成型周期，现在通常只需几秒钟。

短切碳纤维还被用作质子交换膜燃料电池气体扩散层的多孔纸背衬材料。这些材料通过湿法铺放短切PAN基的纤维而得到制备，可以实现大批量、低厚度的生产。韩国现代汽车集团的新型NEXO燃料电池汽车正在使用德国西格里碳纤维（SGL Carbon）生产的Sigracet气体扩散层，为此，西格里碳纤维（SGL Carbon）已提高了其在德国梅亭根工厂的Sigracet气体扩散层的产量。

为燃料电池而开发新的复合材料

正如国际能源署（IEA）在其 “2021全球氢回顾”报告中所解释的那样，要提高燃料电池的耐久性，需要技术的进步，这对于重型运输设备尤为重要，从而可以在保持或提高效率的同时降低成本。复合材料研发所涉及的关键领域包括燃料电池薄膜和双极板。

2021年6月，西班牙安通林集团宣布，其对碳纳米纤维展开了研究，以提高下一代氢燃料电池中关键部件的效率和耐久性，同时降低成本。多年来，该公司一直致力于开发碳纳米纤维的生产工艺，为不同的行业应用提供性能得到优化的碳纳米纤维。针对燃料电池，碳纳米纤维作为铂纳米粒子的物理载体，起到化学反应催化剂的作用。纳米纤维的使用，减少了铂的用量并显著提高了电极的耐久性以及系统的整体效率。“到目前为止，我们在实验室测试中取得的结果非常乐观，产生的膜电极组件（MEA），在电力方面可与市场上的产品相媲美。”安通林集团创新总监Javier Villacampa表示，“我们达到这一效果只用了一半的铂，而且在经过相同的运行周期后，老化程度降低了10倍。”

2021年7月，美国赫氏公司宣布，其参加了Dolphin项目，以开发一种颠覆性的PEM燃料电池堆。该项目将产生一个5kW的燃料电池堆示范品和100kW的电池堆设计，目标是增加25%的体积比能量密度并降低生产成本。该项目由燃料电池与氢合资公司资助，得到了赫氏位于法国Les Avenières、英国Duxford 和奥地利Neumarkt的生产基地的支持。赫氏还在提供轻量化的PrimeTex铺丝机织碳纤维织物、HexMC模塑材料和HexPly预浸料及预浸层压材料，这些材料将被用于终极板、气体扩散层和双极板，以减小燃料电池堆的重量和体积。PrimeTex 将以干态形式被用作气体扩散层中的一个单层（厚度小于100μm），HexPly M901预浸料和HexMC将被用于双极板。赫氏将采用HexPly和HexMC生产模压成型的终极板，以取代金属板，减轻重量并集成额外的功能。（来源：复材资讯）

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