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    • 復合材料終端市場:2022燃料電池和電池
    • 發布時間:2021/12/24 10:04:24
    •  在電池電動汽車產量增加的同時,燃料電池汽車預計也將快速增長,這兩者都在推動復合材料及其成型工藝取得新的進展。

      左圖為PEM燃料電池膜和雙極板(圖片由戴姆勒公司提供),右圖為采用環氧SMC上蓋的電動汽車電池盒(圖片由贏創提供)

      根據國際能源署(IEA)的“2021全球氫回顧”報告,自2008年以來,汽車燃料電池的成本已下降了70%。到2021年年末,全球燃料電池的產能預計每年將超過20萬個系統,由40多家制造商供貨。

      國際能源署(IEA)的“2021全球氫回顧”報告第83頁

      目前,日本豐田汽車公司每年生產3萬個燃料電池系統,而韓國現代汽車公司正在建造第二家工廠,到2022年,其年產能將超過4萬個系統,目標是到2030年達到每年50萬個系統的產能。按照供應商們目前已經宣布的產能,到2030年,全球的年產能共計將達到130萬個系統。

      根據燃料電池與氫合資公司(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking)撰寫的“歐洲氫路線圖”報告,到2030年,每22輛出售的乘用車中就有一輛是燃料電池電動汽車(FCEV),每12輛出售的輕型商用車(LCV)中就有一輛是燃料電池電動汽車,總計將有370萬輛燃料電池乘用車和50萬輛燃料電池輕型商用車出售。此外,到2030年,可能將有大約45000輛燃料電池貨車和客車上路,同時,燃料電池火車也可能會取代大約570輛柴油火車。

      gasforclimate2050.eu于2021年6月發布的報告“分析氫的未來需求、供應和運輸”,對燃料電池在交通運輸領域的增長作了進一步的分析,指出:氫是實現重型公路運輸脫碳的一項有前景的選擇,特別是遠程車輛和重型公路運輸。預計到2030年、2040年和2050年,氫燃料電池可以分別為5%、30%和55%的貨車以及4%、21%和25%的客車提供動力。

      在下述領導者們雄心勃勃的短期和長期目標的引領下,預計燃料電池汽車會得到進一步的增長:

      1.韓國的氫經濟路線圖旨在到2022年產銷81000輛氫燃料電池汽車;到2040年產銷620萬輛氫燃料電池汽車,包括4萬輛燃料電池客車(FCB)和3萬輛氫燃料電池(HFC)貨車以及15GW的氫燃料電池發電廠。

      2.日本政府希望到2030年實現80萬輛燃料電池汽車的銷售目標。

      3.美國加州燃料電池合作伙伴宣布,到2030年實現100萬輛燃料電池汽車的銷售目標。

      4.中國的氫燃料電池汽車技術路線圖包括:到2020年產銷5000輛燃料電池汽車,其中60%為商用車如客車,同時建造100個加氫站(HRS);到2025年產銷5萬輛燃料電池汽車,其中80%為乘用車;到2030年產銷100萬輛燃料電池汽車。

      5.荷蘭氣候協定的目標是:到2025年產銷15000輛燃料電池汽車和3000輛氫燃料電池重型貨車,到2030年產銷30萬輛燃料電池汽車。

      6.法國的目標是:到2023年產銷5000輛燃料電池汽車和200輛氫燃料電池貨車,到2028年產銷2萬~5萬輛燃料電池汽車和800~2000輛氫燃料電池貨車。

      7.2020年9月,參加第二屆氫能源部長級會議的35個國家和國際組織達成了一項全球行動議程:到2030年實現1000萬輛燃料電池汽車的產銷量,鼓勵在交通工具中使用氫和燃料電池。

      質子交換膜燃料電池的關鍵部件雙極板可以用金屬或碳纖維復合材料制成,但一些公司如位于美國俄勒岡州Bend的巴拉德燃料電池系統公司卻更喜歡復合材料,因為它們能以更低的成本提供更好的耐久性(圖片來自巴拉德燃料電池系統公司)

      (a)為聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)的主要部件,(b)為一個典型的膜電極組體(MEA)示意圖(圖片來自馬來西亞科班桑大學燃料電池研究所)

      燃料電池中的復合材料

      碳纖維復合材料可用于質子交換膜燃料電池(PEMFC)的雙極板、氣體擴散層、端板和其他系統組件。過去,熱固性復合材料因成型周期較長、廢品率較高以及不能生產出像沖壓金屬板一樣薄的模壓復合材料板,而被認為僅限于低產量和固定的應用。然而最近,這些問題已得到解決,從而使復合材料在將能量密度作為次要條件的高、低溫質子交換膜燃料電池應用方面具有比金屬更明顯的優勢。

      由短切碳纖維和石墨填充的乙烯基酯團狀模塑料(BMCs)在低溫質子交換膜燃料電池的雙極板中得到了廣泛應用。隨著產量的增加,BMC的成本還會大幅下降。同樣,由于配方的改善以及能夠制造出截面更薄的板材,曾經按分鐘計算的成型周期,現在通常只需幾秒鐘。

      短切碳纖維還被用作質子交換膜燃料電池氣體擴散層的多孔紙背襯材料。這些材料通過濕法鋪放短切PAN基的纖維而得到制備,可以實現大批量、低厚度的生產。韓國現代汽車集團的新型NEXO燃料電池汽車正在使用德國西格里碳纖維(SGL Carbon)生產的Sigracet氣體擴散層,為此,西格里碳纖維(SGL Carbon)已提高了其在德國梅亭根工廠的Sigracet氣體擴散層的產量。

      為燃料電池而開發新的復合材料

      正如國際能源署(IEA)在其 “2021全球氫回顧”報告中所解釋的那樣,要提高燃料電池的耐久性,需要技術的進步,這對于重型運輸設備尤為重要,從而可以在保持或提高效率的同時降低成本。復合材料研發所涉及的關鍵領域包括燃料電池薄膜和雙極板。

      2021年6月,西班牙安通林集團宣布,其對碳納米纖維展開了研究,以提高下一代氫燃料電池中關鍵部件的效率和耐久性,同時降低成本。多年來,該公司一直致力于開發碳納米纖維的生產工藝,為不同的行業應用提供性能得到優化的碳納米纖維。針對燃料電池,碳納米纖維作為鉑納米粒子的物理載體,起到化學反應催化劑的作用。納米纖維的使用,減少了鉑的用量并顯著提高了電極的耐久性以及系統的整體效率。“到目前為止,我們在實驗室測試中取得的結果非常樂觀,產生的膜電極組件(MEA),在電力方面可與市場上的產品相媲美。”安通林集團創新總監Javier Villacampa表示,“我們達到這一效果只用了一半的鉑,而且在經過相同的運行周期后,老化程度降低了10倍。”

      2021年7月,美國赫氏公司宣布,其參加了Dolphin項目,以開發一種顛覆性的PEM燃料電池堆。該項目將產生一個5kW的燃料電池堆示范品和100kW的電池堆設計,目標是增加25%的體積比能量密度并降低生產成本。該項目由燃料電池與氫合資公司資助,得到了赫氏位于法國Les Avenières、英國Duxford 和奧地利Neumarkt的生產基地的支持。赫氏還在提供輕量化的PrimeTex鋪絲機織碳纖維織物、HexMC模塑材料和HexPly預浸料及預浸層壓材料,這些材料將被用于終極板、氣體擴散層和雙極板,以減小燃料電池堆的重量和體積。PrimeTex 將以干態形式被用作氣體擴散層中的一個單層(厚度小于100μm),HexPly M901預浸料和HexMC將被用于雙極板。赫氏將采用HexPly和HexMC生產模壓成型的終極板,以取代金屬板,減輕重量并集成額外的功能。

      電池電動汽車發展迅猛

      雖然氫燃料電池獲得了增長的動力,但汽車行業依然將更多的注意力放在電池能源方面。根據國際能源署(IEA)的說法,2020年銷售的電動汽車(EVs)大約有300萬輛,而Canalys.com于2021年8月發布的一份報告指出,2021年上半年銷往世界各地的電動汽車(EVs)約有260萬輛,達到了2020年上半年銷量的160% 以上。

      2021年上半年,在中國和歐洲銷售的所有汽車中,電動汽車分別占12%和15%的比重,而同期在美國銷售的新車中,電動汽車僅占3%。

      國際能源署(IEA)于2021年4月發布的報告稱,到2030年,運行在道路上的電動汽車、公共汽車、廂式貨車和重型貨車的數量預計將達到1.45億輛。2020年7月公布的數據顯示,主流汽車制造商的目標是:到2025年,沃爾沃銷售的車輛中,將有50%是電動汽車;到2030年,戴姆勒銷售的車輛中,將有50%是電動汽車;到2030年,大眾銷售的車輛中,將有40%是電動汽車。

      電池盒

      TRB Lightweight Structures公司制造的CFRP電池盒

      通過減輕電池盒的重量,復合材料有助于抵消沉重的電池重量。一個例子是由英國TRB Lightweight Structures公司(以下簡稱TRB)為電動公交車開發的CFRP電池盒,這些電動公交車每輛都配有6個74kW的電池,含電池盒在內的每個電池的重量是550kg。然而,為滿足整體重量要求,電池盒只有15kg,這與之前64kg的鋁電池盒相比,重量顯著降低。為了滿足其他方面的要求,包括在美國制造以及年產量達到 4萬件,TRB與豐田通商美國公司合資,在美國肯塔基州里士滿建造了一個專門的生產工廠,該工廠采用高面重的碳纖維織物制造2m×1m大小的電池盒。在該工廠內部,首先采用一種2min固化的環氧樹脂對織物進行預浸,然后立即切割預浸料,并利用拾取-放置機器人將切好的預浸料自動放入匹配的金屬模具中,進行快速的模壓固化(FPC)加工,循環時間是11 min。成型好的部件由機器人操作進行后續的加工和組裝,包括修邊、粘接嵌件和放置墊圈。該部件的設計還包括在下殼體上增加額外的層,以用于隔熱、電絕緣和電磁屏蔽。該項目計劃于2021年全面投產,同時,TRB 還在與其他潛在客戶討論更多的中、高產量的電池盒生產項目。

      德國西格里碳纖維(SGL Carbon)也于2021年啟動了一項生產,主要為一家北美的汽車制造商生產碳纖維和玻璃纖維復合材料的電池殼上、下層鋪層材料。這項高產量的應用是一款電動汽車底盤的關鍵部分,滿足嚴格的減重、剛性、碰撞保護、熱管理以及防火、防水和防氣要求。這份合同是在2019年宣布了西格里碳纖維(SGL Carbon)為中國的汽車制造商蔚來成功地生產出復合材料電池殼原型之后簽署的。西格里碳纖維(SGL Carbon)表示,與這家制造商可能有更多的訂單,甚至更大的訂量。與此同時,西格里碳纖維(SGL Carbon)還從一家歐洲的跑車制造商那里獲得了一份計劃于2020年中期開始的小批量供貨合同,批量生產復合材料電池殼的底層材料。

      另一家供應電池盒的公司是英國的SHD Composites公司,其預浸料采用了符合酚醛性能的生物基聚糠醇(PFA)熱固性樹脂。其PS200 預浸料滿足了歐洲航空安全局(EASA)規定的飛機蓄電池防火要求,并已為通用的航空飛機制造商所采納。模擬電池著火測試顯示,當內部溫度達到1100℃時,外部溫度從未超過250℃,電池盒從未燒毀或分解。英國Composites Evolution公司也提供生物基聚糠醇(PFA)的預浸料,采用的增強材料包括亞麻纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或碳纖維,且已通過了飛機和鐵路部門要求的火焰、煙霧和毒性(FST)測試。

      日本帝人集團旗下子公司大陸結構塑料(CPS)自2012年首次開始為雪佛蘭Spark提供上下電池殼以來,近10年中,該公司一直在提供模壓成型的復合材料電動汽車電池殼。此后,該公司的電池盒蓋越來越受歡迎,目前制造的電池盒蓋尺寸可以達到1.5m×2m或者更大。2020年12月,大陸結構塑料(CSP)與帝人展示了一款全尺寸的多材料電動汽車電池盒示范件,它至少包括3個結構組件:相對較薄的復合材料上蓋、較厚的且更加結構化的復合材料底盤,以及一個金屬的梯形框架,以為電池盒內部的電池提供額外的支撐。大陸結構塑料(CSP)還開發了一種吸能泡沫結構的內部框架,可以用于更高的碰撞保護。上蓋和底盤經模壓成型,并可以采用大陸結構塑料開發的各種防火方案。據說,這種多材料的電池盒要比鋼制電池盒輕15%,比鋁電池盒的耐熱性更好。

      目前,大陸結構塑料(CSP)已在美國和中國開發生產了34 種電池盒蓋。

      大陸結構塑料(CSP)自2012年以來就一直在設計和制造復合材料的電池殼,最近,該公司已擴大了其產品組合,涵蓋了完整的電池盒(圖片來自CSP)

      與此同時,美國IDI復合材料國際公司針對電動汽車(EV)和新能源汽車(NEV)市場而推出了新的纖維增強與樹脂組合材料Flamevex,它專為生產電池盒系統而設計。

      采用IDI復合材料國際公司的Flamevex 材料制成的電動汽車電池盒(圖片來自IDI復合材料國際公司)

      為生產電池盒而新開發的復合材料

      2021年5月,碳纖維制造商日本東麗工業公司宣布,其開發出一種高熱導率技術,可使碳纖維增強塑料(CFRP)的散熱性能提高到金屬的水平。將這項技術用于CFRP,通過材料內部的熱傳導即可使熱量有效地散發出去。這有助于抑制電池在移動應用中發生老化,同時提高了在電子設備應用中的性能。東麗的這項突破,為有效地散發電池和電子線路中的熱量同時又能利用CFRP實現減重而提供了一種技術方案。該公司預計,采納其技術的CFRP 應用將包括對輕量化和散熱性能有要求的先進的交通工具、移動電子設備和可穿戴設備等。

      于2021年完成的“composites for sustainable mobility”(CosiMo)項目,旨在為生產一種電池盒蓋的挑戰性部件而開發一種智能的熱塑性樹脂傳遞模塑成型(T-RTM)工藝。該部件長1100 mm、寬530 mm,由法國佛吉亞綠動智行系統公司位于德國奧格斯堡的研究中心設計,用于探索材料和工藝的局限性,包括金屬嵌件和泡沫芯層、復雜形狀以及2.5~10mm的厚度變化。這些部件由德國宇航中心(DLR)的輕量化生產技術中心(ZLP)制造,目標是為采用帶有傳感器的RTM模具和熱壓機的單步法工藝,開發一種完全自動化的過程控制方法。在RTM 模具中集成了70多個傳感器,從而能夠在注射己內酰胺單體及其原位聚合成PA6復合材料的過程中監測樹脂的流動。該傳感器網中含有德國Netzsch公司提供的電介質傳感器,并整合了瑞士Kistler 公司的壓力/溫度傳感器和奧格斯堡大學開發的超聲波傳感器。來自傳感器的工藝參數數據還被用于優化工藝模擬模型,然后據此開發基于機器學習方法的仿真數據驅動的自動化的過程控制。ZLP共生產出100多個高品質的部件。在項目研發過程中獲得的知識,將被用于工業化的批量生產以及未來對其他復合材料工藝的數字化閉環控制。

      德國宇航中心輕量化生產技術中心采用T-RTM工藝生產的電池盒蓋挑戰性部件(圖片來自德國宇航中心輕量化生產技術中心)

      美國Technical Fibre Products(以下簡稱TFP)公司多年來一直供應多種材料的非織造面紗,它被用于層間以及復合材料部件的表面,用來增加電磁干擾(EMI)屏蔽性、導電性、反射性、耐磨性或防火性。正如該公司技術總監Nigel Walker所解釋的那樣:電池盒要能夠防止電磁干擾,能夠壓制火勢,且能夠在做到這些的同時,保證輕量化并由復合材料制造。隨著許多電動汽車制造商逐步放棄使用金屬電池盒而轉向采用輕質的復合材料,一些意想不到的后果可能包括失去金屬基的耐火性或電磁屏蔽性能。“比如,我們可以添加一層薄薄的鍍鎳材料,它能夠屏蔽電能,從而不會干擾車內的其他系統,同時保持部件必要的重量和厚度。” TFP 總裁John Haaland表示。“這是多功能特性的一個很好的例子。”Walker補充道。

      實現復合材料層壓板多功能性的另一條途徑是美國Boston Materials公司的Supercomp、ZRT和Bimetal 材料。在卷到卷的加工中,使用該公司專利的磁力定位工藝,可以使粉碎的碳纖維垂直定向成片狀。通過面外定向碳纖維,Boston Materials克服了復合材料傳統的對通過層壓板厚度的導電性所帶來的限制。“我們正在展示能與鋁相媲美的熱導率和電導率。”Boston Materials公司的創始人Anvesh Gurijala說道,“我們已經達到納米纖維的性能水平,鎳面紗和膨脹金屬箔可用于防電磁干擾和雷擊,而成本和加工性能也都有所改善。”當與熱塑性塑料薄膜結合時,ZRT材料可被成型出復雜的形狀并擁有類似鋁的熱導率。“可以采用低成本、大批量的熱成型工藝來生產具有非常小的特征結構以增加表面積的非金屬熱交換器面板。”Gurijala說道。

      通過熱成型ZRT/PPS薄膜而制成的復雜微凹結構(最小特征尺寸0.5mm),增加了非金屬熱交換器中的這塊面板的傳熱面積和效率(圖片來自Boston Materials)

      除了多功能的電池盒外,由瑞典查爾姆斯理工大學的Leif Asp教授領導的團隊,還在開發碳纖維復合材料制成的結構電池,這是一種能夠提供結構特征和能量儲存的多電池層壓板。根據Asp及其團隊在2021年1月份的報紙上發表的“先進的能源與可持續的研究”論文中的介紹,查爾姆斯理工大學的電池是建立在之前的設計基礎之上,在一種基于電解質的基質材料中含有碳纖維的陰極和鋁膜陽極,以及玻璃纖維的隔離層。目前的設計顯示出高達24Wh/kg的能量密度。在2021年5月舉行的網絡研討會上,Asp 表示,研究人員們正致力于提高能量密度以及開發曲面結構。按照他的設想,這種類型的電池可用于在汽車或飛機內部進行局部儲能。

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