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冬奥会之后氢燃料电池汽车将迎来新的发展机遇高分子材料应用大全

来源:顺博体育网址 作者:顺博体育电竞           发布日期:2022-08-19 09:57:29     |     浏览次数:10

  大家都在看冬奥会,谷凌爱,冰墩墩,特别火爆,但是对于材料人来说,我们更应该关注的氢燃料汽车,因为他们正在寒冬中迎来春天!

  艾邦建有氢燃料电池产业交流群,欢迎氢燃料电池堆(双极板,质子膜,扩散层,密封胶,催化剂等),动力系统,电池包,储氢罐,加氢站,制氢等产业上下游,设备,材料,配件等配套,在阅读正文前,也欢迎大家加入

  根据北京冬奥组委公布的数据,本届冬奥会示范运行超1000辆氢能源汽车,并配备30多个加氢站,是全球最大的一次燃料电池汽车示范。这也使得氢燃料电池汽车成为绿色冬奥中一抹亮色,来自丰田汽车、北汽集团、宇通客车、福田汽车等车企的氢燃料电池汽车均积极投入到北京冬奥会之中。

  据了解,本次冬奥会示范运营车型包括氢燃料电池大巴、氢燃料电池小轿车、氢燃料电池特种车等。其中,福田汽车提供了515辆氢燃料客车,在为本次冬奥会提供保障的氢燃料大客车中占比高达80%,创下有史以来氢燃料客车服务国际级运动赛事规模最大、车型数量最多的纪录;宇通185辆氢燃料客车(北京100辆,张家口85辆)服务北京、延庆、张家口全赛区;吉利星际提供了80辆氢燃料城市客车,丰田提供了107辆氢燃料中巴车;在小轿车车型方面,丰田提供了140辆第二代MIRAI。

  值得一提的是,从2008年北京奥运会的3辆氢燃料电池大巴,到2010年上海世博会的196辆氢燃料电池车,再到2022年北京冬奥会的上千辆氢燃料电池车示范运行,经过十几年发展,我国氢能和燃料电池汽车正迎来新的发展机遇。

  当然不是,氢气和氧气在电池堆里面在贵金属铂进行氧化还原反应生成唯一的产物水。通常反应温度在65-80℃,在这个电化学过程中,产生了电流。反应温度比汽油内燃机温度低很多,所以这一步能源转换效率高。

  既然不是燃烧为何称为燃料电池?其实氢储存在罐子里,就像燃油存在油箱里面,所以被称作燃料。

  跟锂电池汽车类似,在加氢站还未普及的时候,商用车,货车,客车,物流车会优先,特别是固定路线的汽车。氢气储罐占空间,客车货车体积大,比乘用车方便放置。

  低温环境有优势,这次冬奥会为何说是一个典型的应用场景?低温环境对氢燃料电池汽车影响不大,但是对锂电池汽车就影响大了。氢燃料电池加氢时间短,类似加油,没有里程焦虑。

  由于氢燃料电池汽车的发展慢,量产成本仍然高。核心技术,高端材料被日本卡脖子。

  在介绍什么材料能用在氢燃料电池汽车里面,由于氢燃料电池汽车主要有几个部分,氢燃料电池堆,动力系统,储氢系统,但是还有锂电池包。我们还是先来看下氢燃料电池的原理:

  由于氢氧的电化学反应是在一定温度和一定湿度下,由贵金属铂催化剂下反应,同时,质子交换膜其实是全氟磺酸膜,这是一种固体强酸。铂催化剂,虽然很好,但是有两个缺点,第一个就是贵,第二个怕污染,一点点杂质离子和一丁点的其他气体都会使催化剂中毒。

  大家可以想象下这种反应环境,高热,高湿,强酸;因此在空气加热增湿之后,或者未反应的氢气回收途径中使用到的材料,比如管道,阀门,过滤器等用到的塑料,不可以水解,不可以析出,不能有杂质,长时间接触,不可以变形!低离子析出级别的PPS,是氢燃料电池的最爱。

  不过在空气进入增湿器之前,燃料电池的进气部分跟燃油车非常类似,因此选用的材料也大致相同。比如常温的管道材料如尼龙吹塑,TPV,结构件PA6,PA66材料等。

  另外,高电压部分跟锂电池动力系统使用的材料也是相通的,比如PA66,PBT等材料。

  质子交换膜在氢燃料电池堆里面被称为“芯片”,是核心材料之一。根据氟含量,可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中,由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯(PTFE)结构,因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度;聚合物膜寿命较长,同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团,具有优秀的离子传导特性。

  典型的 PFSA 离聚物基膜的分子结构如图所示。它由两个区域组成,PTFE 主链提供化学/机械/热稳定性,亲水性全氟醚侧带有参与质子传输过程的磺酸基团。

  聚萘二甲酸乙二酯(PEN)树脂以1995年美国Amoco Chemicals公司开始的PEN原料萘二甲酸(NDC)的商业生产为契机,开始被广泛地应用在多个领域。帝人早在此31年前,即1964年就开始了PEN树脂的研究与开发,并以”Teonex®”为商标将其商业化,在工业零部件、食品包装、医药品包装等领域将其用途不断拓展。

  “Teonex®”是一种结晶性热塑性聚酯,它是酸性组分NDC和二元醇成分乙二醇的缩聚物,用类似于代表性聚酯”聚对苯二甲酸乙二酯(PET)”的制法生产,但其性能定位比PET更高一筹。

  根据气体扩散层制作工艺中对碳纤维采用的粘接、纺织、成纸及热压等不同工艺,成品可以分为碳纸、碳布、碳毡等多种类产品。

  PPS 的合成主要有两种,溶液聚合法和自缩聚法。不管是哪一种方法,聚合物中都会遗留有反应副产物卤化金属盐,像钠离子、氯离子、钾离子等。一般应用上,对 PPS 的杂质含量没有过多的要求。如果是应用在氢燃料电池上,其对材料杂质的要求是越低越好。线性 PPS 的离子杂质含量明显远比交联型 PPS 少得多。

  在很多可能的工程塑料选择中,由于PPS(聚苯硫醚)的低离子析出性,优异的抗水解和抗化学腐蚀能力,使其与燃料电池的工况要求锲合度最好。

  氢能燃料电池汽车发展的关键点之一是通过轻量化集成设计来提高燃料电堆系统的功率密度和可靠性,并降低量产成本。

  基于高温尼龙 PA9T其卓越的耐热性和耐化学性、出色的机械性质和耐冲击强度、良好的尺寸稳定性和稳定的长期性能,能够满足这些组件的应用要求,还达到了燃料电池和电子部件等敏感应用的纯度要求。它不仅表现出了极佳的刚度、强度和韧度,耐磨损性能和摩擦行为也十分出色。广泛的冷却液应用试验表明,该材料能够在乙二醇、水和氢气的混合物中承受 105°C 的连续使用温度长达 10,000 至 20,000 小时。此外,这种 PPA 材料的燃料渗透率、渗气率和挥发物含量极低,可有效防止发动机系统被腐蚀或污染。

  在氢燃料罐方面,HDPE 已经遇到了它的对手。丰田为其 Mirai 燃料电池汽车 (FCV) 制造油箱的工艺需要吹塑内衬,然后用碳纤维包裹,然后用在 150°C 固化的环氧树脂浸渍纤维。再加上储罐在低至 -70°C 的低温下保持其完整性的要求,聚酰胺 (PA) 6 材料被选为首选材料。PA6还具有优异的氢渗透防止性能、对因氢气的填充和释放引起的罐温度突然变化的耐久性。

  IV型储氢罐带来了新的材料解决方案,该储罐可以由聚酰胺6吹塑内胆制成,并用碳纤维增强UD胶带环绕,从而实现了轻量化和低氢渗透率,又不会降低在高压(70Mpa)下所需的强度,确保安全。

  除了今天我们列举的高分子材料,比如PA66,PBT,硅橡胶,EPDM,TPV,TPEE,PP等。在高分子方面走在前面的企业有,DSM,杜邦,阿科玛,赢创,宇部,东丽,帝人,Albis,三菱化学, 巴斯夫,戈尔,东岳,索尔维,科慕化学等等;此外氢燃料电池也涉及到很多加工工艺及设备,后续我们将在下面这个公众号给大家介绍。

  在“双碳”目标的指引下,以绿色冬奥为契机,氢燃料电池汽车产业也将步入新的发展阶段。

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