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摘 要 每年12月初，Composites
World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了复合材料在燃料电池领域的市场分析。 根据国际能源机构（IEA）的“2021年全球氢能评论”报告，自2008以来，汽车燃料电池的成本下降了70%。全球燃料电池制造能力预计在2021年底达到200000套系统/年，并由40多家制造商提供。 丰田（日本爱知）目前每年生产30000套系统，而现代（韩国首尔）正在建设第二个工厂，到2022年将其产能提高到40000套系统以上，目标是到2030年达到500000套系统。截至2030年，供应商发布的制造能力公告总计130万系统/年。 根据燃料电池和氢气联合企业的《欧洲氢气路线图》报告，到2030年，燃料电池电动汽车（FCEV）销量占比分别为1/22和1/12，即每销售22辆乘用车和12辆轻型商用车（LCV）中就有一辆燃料电池电动汽车，届时将形成370万辆燃料电池乘用车和50万辆燃料电池LCV的车队。此外，到2030年，大约45000辆燃料电池卡车和公共汽车将投入使用。2030年，燃料电池列车还可能取代大约570列柴油列车。 由gasforclimate2050.eu 撰写的2021 年 6 月的报告“分析氢能的未来需求、供应和运输”进一步分析了燃料电池在运输中的增长，并指出氢是重型道路运输脱碳的一个有希望的选择，特别是长途运输车辆和重型道路运输。预计2030年、2040年和2050年，氢燃料电池在卡车中占比分别为5%、30%和55%，在公共汽车中的占比分别为4%、21%和25%。 由于下属全球不同国家和地区雄心勃勃的短期和长期目标，FCV的增长预计将增加：
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、端板和其他系统部件。过去，热固性材料被认为仅限于较低体积和固定应用，因为它们的模具周期较长，废品率较高，并且无法生产像冲压金属板一样薄的模制复合板。然而，最近这些问题已经被克服，在高温和低温 PEMFC 中，复合材料比金属具有明显的优势，其中功率密度是次要要求。 PEM 燃料电池膜和双极板（左）以及带有环氧树脂 SMC 盖的 EV 电池外壳（右） 短切碳纤维和石墨填充/乙烯基酯本体模塑化合物（BMC）在低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）的双极板中得到了广泛的应用。随着销量的增加，BMC成本显著下降。同样，由于配方的改进和制造较薄板横截面的能力，成型周期（一次以分钟为单位）现在通常在几秒钟内完成。 双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件，可以用金属或碳纤维复合材料制成，但 Ballard Fuel Cell Systems公司（美国）等公司更喜欢复合材料，因为它们以较低的成本提供了卓越的耐用性 短切碳纤维也被用作PEMFC气体扩散层的多孔纸背衬材料，通过湿铺短切PAN基纤维制备，这些纤维可以大批量、低厚度制造。现代汽车集团（韩国首尔）正在使用SGL carbon公司（德国威斯巴登）的Sigracet气体扩散层新NEXO FCV。因此，SGL增加了其德国梅廷根工厂的Sigracet产量。 正如国际能源署在其《2021 年全球氢能评论》报告中所解释的那样，需要技术进步来提高燃料电池的耐久性——尤其对于重型运输应用来说至关重要——并且在保持或提高效率的同时降低成本。复合材料研发的关键领域包括燃料电池膜和双极板。 2021年6月，Grupo Antolin（Burgos，西班牙）宣布了对碳纳米纤维进行研究，以提高下一代HFC的关键部件的效率、耐用性和成本降低。该公司多年来一直致力于开发具有优化性能的碳纳米纤维生产工艺，以满足不同的工业应用。对于燃料电池，碳纳米纤维充当铂纳米颗粒的物理载体，铂纳米颗粒作为化学反应的催化剂。纳米纤维减少了所需铂的数量，显著提高了电极的耐久性以及系统的整体效率。Grupo Antolin的创新总监Javier Villacampa表示：“到目前为止，我们在实验室测试中取得了非常理想的结果，生产出的MEA（膜电极组件）装置在电力方面的产量与市场上的相当。我们使用一半的铂便实现了这一目标，在相同的运行周期后，降解水平降低了10倍。” 2021年7月，美国Hexcel宣布其参与Dolphin项目以开发颠覆性PEM燃料电池堆。该项目将生产一台5千瓦（kW）的燃料电池堆栈演示器和100千瓦的堆栈设计，目标是体积功率密度增加25%，同时降低生产成本。该项目由燃料电池和Hydron 2联合项目资助，将由位于法国Les Avenières、英国Duxford和奥地利Neumarkt的Hexcel工厂提供支持。Hexcel提供轻质PrimeTex spread丝束编织碳纤维织物、HexMC模塑材料和HexPly预浸料和预浸料层压板，这些材料将应用于终端板、气体扩散层和双极板，以减少燃料电池组的重量和体积。PrimeTex将以干态纤维形式作为单层（厚度小于100μm）用于气体扩散层，而HexPly M901预浸料和HexMC将用于双极板。Hexcel将生产使用HexPly和HexMC材料制成的压缩模压端子板取代金属板，从而减轻重量和增加集成功能。 03、电动汽车电池激增 即使氢燃料电池获得发展的动力，汽车行业仍在继续把更多的鸡蛋放在电池动力篮子里。据国际能源署（IEA）统计，2020年电动汽车（EV）销量约为300万辆。根据CysScom公司2021年8月的报告，在2021上半年全球销售了260万辆电动汽车（EV），比2020同期增长了160%。 到 2021 年上半年，电动汽车分别占中国和欧洲汽车销量的 12% 和 15%，而美国则落后，电动汽车仅占同期新车销量的 3%。 2021年4月，国际能源机构报告说，到2030年，电动汽车、公共汽车、面包车和重型卡车在公路上的数量预计将达到1亿4500万辆。下图显示了主要汽车原始设备制造商在2020年7月发布的目标，包括：到2025年，沃尔沃电动汽车销量占比将达50%；到2030年，戴姆勒电动汽车销量占比也将达50%；到2030年，大众电动汽车销量占比将达40%。 04、电池盒 复合材料可以通过轻质电池外壳抵消电池的重量。比如，由TRB Lightweight Structures （HuntTunn，英国）开发的CFRP外壳为电动公共汽车提供轻量化服务，每辆巴士配备多达6个74千瓦的电池，每个电池重550公斤，包括电池外壳。然而，为了满足总体重量要求，CFRP外壳只需15公斤，与之前铝合金版本的64公斤相比，大幅减少。为了满足额外要求，以及在美国实现40000台/年的制造和生产，TRB在美国肯塔基州里士满与丰田通商美国（美国纽约州）合资建造了一座专门的制造厂。在这里，2×1米的电池盒采用高面积重量碳纤维织物制成，内部预涂有两分钟固化环氧树脂。预浸料被立即切割，并通过自动拾取和放置机器人放置到匹配的金属工具中，用于快速冲压固化（FPC）处理，循环时间为11分钟；然后对零件进行自动加工和组装，包括修整、镶块粘合和垫片放置。该设计还包括底盖中的附加层，用于隔热和电气绝缘以及EMI屏蔽。预计在 2021 年全面生产，TRB 正在与其他潜在客户讨论更多的中高容量外壳生产。 TRB Lightweight Structures 的 CFRP 电池外壳 德国SGL Carbon也于 2021 年开始为北美汽车制造商生产电池外壳的碳纤维和玻璃纤维复合材料顶层和底层。大容量应用是电动汽车底盘的关键部件，满足重量、刚度、冲击防护、热管理、防火以及水和气体防渗的严格要求。该合同是在2019年宣布为中国汽车制造商NIO（上海）成功生产复合材料电池盒原型之后签订的。SGL Carbon报告说，该制造商可能会有更多订单，数量甚至更大。同时，该公司与一家欧洲跑车制造商签订了一份批量较小的合同，用于复合材料外壳底层的批量生产，该合同于2020年中期开始。 另一家提供电池盒的公司是SHD-Composites（SaaFrand，英国），其预浸料使用生物基聚糠醇（PFA）热固性树脂，满足酚醛树脂性能。其PS200预浸料符合欧洲航空安全局（EASA）规定的飞机电池防火要求，并已在通用航空飞机制造商中使用，模拟电池着火测试显示内部温度为1100°C，而外部温度从未超过250℃，电池盒也从未燃烧或分解。Composites Evolution（Chesterfield，英国）还提供了用亚麻、玻璃、芳纶、玄武岩或碳纤维增强的PFA预浸料，并且已经通过了飞机和钢轨的火焰、烟雾和毒性（FST）测试。 日本帝人集团Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根州奥本山）自2012年开始为雪佛兰Spark提供上下电池盒以来，已提供模压复合电动汽车电池盖近十年。从那时起，该公司的电池盖越来越受欢迎，而且尺寸也越来越大——目前的电池盖可能是1.5×2米或更大。2020年12月，CSP和帝人公司展示了其多材料电动汽车电池外壳的全尺寸演示器，该外壳至少包括三个结构部件：相对较薄的复合材料顶盖、较厚且更具结构的复合材料底托盘和金属梯形框架，为电池盒内部提供额外支撑。CSP还开发了一种吸能结构泡沫内部框架，可用于更高的碰撞防护。顶盖和底部托盘采用模压成型，可使用CSP开发的各种耐火解决方案。据报道，多材料电池外壳比钢制电池盒轻15%，与铝相比具有更好的耐温性。 2012 年以来Continental Structural Plastics (CSP) 一直在设计和制造复合材料电池盖 CSP目前正在美国和中国开发和生产34个电池盒盖。同时，IDI Composites International（美国印第安纳州诺布尔斯维尔）推出了Flamevex，这是一种新的纤维增强材料和树脂系列，专为电动汽车（EV）和新能源汽车（NEV）市场制造电池外壳系统而设计。 使用 Flamevex 制造的 IDI Composites International EV 电池外壳 05、电池盒用复合材料的新进展 2021年5月，碳纤维制造商日本东丽公司宣布开发一种高导热技术，可将碳纤维增强塑料（CFRP）的散热性能提升到金属的散热性能。将该技术应用于碳纤维增强塑料，可通过材料内部的热传导路径有效地散热。这有助于抑制移动应用中的电池退化，同时提高电子设备应用中的性能。东丽的突破是一项技术解决方案，可以有效地实现电池和电子电路散热，而不会破坏碳纤维增强塑料的轻质性。该公司预计，采用其技术的碳纤维增强塑料应用将包括先进的移动性、移动电子设备和要求轻便和散热性能的可穿戴设备。 “可持续流动性复合材料”（COSIMO）项目于2021完成，目的是开发一种智能热塑性树脂传递模塑（T-RTM）工艺用于电池箱盖挑战部分。该零件长1100毫米，宽530毫米，由位于德国奥格斯堡的佛吉亚清洁移动公司研究中心设计，旨在探索材料和工艺限制，包括金属嵌件和泡沫芯，复杂的几何结构和厚度从2.5毫米到10毫米不等。这些零件由德国航空航天中心（DLR）轻量化生产技术中心（ZLP，Augsburg）制造，目标是使用传感器RTM模具和热压机为单步工艺开发全自动过程控制。RTM工具中集成了70多个传感器，用于监测己内酰胺单体注射过程中的树脂流动及其在聚酰胺6（PA6）复合材料中的原位聚合。传感器网络包括NETZSCH（塞尔布，德国）的介电传感器，Kistler（Withthor，瑞士）和奥格斯堡大学开发的超声波传感器组成的压力/温度传感器。来自传感器的过程参数数据还用于优化过程仿真模型，然后基于机器学习方法开发自动化和仿真数据驱动的过程控制。目前生产了100多个高质量零件，并且正在考虑将获得的知识用于工业批量生产和未来其他复合材料工艺的数字化、闭环控制。 正在 DLR ZLP 脱模的 T-RTM 演示电池盒盖 Technical Fibre Products（TFP，Schenectady，N.Y.，U.S.）多年来一直提供多种材料的非织造面纱，这些面纱集成在复合材料部件的层内或表面，以增加电磁干扰（EMI）屏蔽、导电性、反射率、耐磨性或防火性能。正如TFP技术总监Nigel Walker所解释的，“电池盒需要屏蔽EMI[电磁干扰]，它们需要抑制火灾，并且需要在保持轻质和由复合材料制成的同时做到这一点。”随着许多电动汽车制造商从金属电池外壳转向轻质复合材料，一些意想不到的后果可能包括失去基于金属的耐火性或EMI屏蔽性能。TFP总裁John Haaland说：“我们可以添加一层薄薄的镀镍材料，以屏蔽电能，使其不会干扰车辆的其他系统，同时保持零件的必要重量和厚度。” 多功能复合材料层压板的另一个途径是Boston Materials（美国马萨诸塞州Billerica）Supercomp、ZRT和双金属材料，这些材料使用该公司专利的磁对准工艺，使铣削的碳纤维能够使用辊对辊工艺垂直定向到板材中。Boston Materials通过在平面外定向碳纤维，克服了复合材料在层压板厚度上导电性的传统限制。波士顿材料公司创始人Anvesh Gurijala说：“我们正在展示与铝竞争的导热性和导电性。我们产品在EMI和雷击防护方面与纳米纤维、镍面纱和膨胀金属箔的性能相当，但成本和加工性能有所提高。”当与热塑性薄膜结合时，ZRT材料可以形成具有类似铝的导热性的复杂几何形状。“低成本和高容量热成型可用于生产应用，如非金属热交换器板，其结构非常小，以增加表面积，”Gurijala说。 将 ZRT/PPS 薄膜热成型为复杂的微凹坑几何形状（最小特征尺寸为 0.5 毫米），增加了非金属热交换器传热表面积和效率 除了多功能电池外壳外，研究人员如瑞典查尔默斯技术大学Leif Asp教授领导的团队也在开发由碳纤维复合材料制成的结构电池——一种提供结构特性和能量储存的多单元层压材料。根据ASP和他的团队于2021年1月在高级能源与可持续性研究中发表的论文，ChalMes电池建立在它之前的设计上，包括碳纤维负电极和在电解质基基质材料中具有玻璃纤维分离器的铝膜正极夹层。根据这篇论文，目前的设计显示能量密度高达每千克24瓦时（24瓦时kg-1）。在2021年5月的研讨会上，Asp指出，研究人员正在致力于增加能量密度和弯曲结构的发展，他设想这种类型的电池可以用于汽车或航空航天内部的局部能量储存。 |
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