今天，我們來(lái)看一下，在氫燃料電池領(lǐng)域，復(fù)合材料及其成型工藝取得新的進(jìn)展。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的“2021全球氫回顧”報(bào)告，自2008年以來(lái)，汽車(chē)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(chǎn)能預(yù)計(jì)每年將超過(guò)20萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)，由40多家制造商供貨。

國(guó)際能源署（IEA）的“2021全球氫回顧”報(bào)告第83頁(yè)

目前，日本豐田汽車(chē)公司每年生產(chǎn)3萬(wàn)個(gè)燃料電池系統(tǒng)，而韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司正在建造第二家工廠(chǎng)，到2022年，其年產(chǎn)能將超過(guò)4萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)，目標(biāo)是到2030年達(dá)到每年50萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)能。按照供應(yīng)商們目前已經(jīng)宣布的產(chǎn)能，到2030年，全球的年產(chǎn)能共計(jì)將達(dá)到130萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)。

根據(jù)燃料電池與氫合資公司（Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking）撰寫(xiě)的“歐洲氫路線(xiàn)圖”報(bào)告，到2030年，每22輛出售的乘用車(chē)中就有一輛是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV），每12輛出售的輕型商用車(chē)（LCV）中就有一輛是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，總計(jì)將有370萬(wàn)輛燃料電池乘用車(chē)和50萬(wàn)輛燃料電池輕型商用車(chē)出售。此外，到2030年，可能將有大約45000輛燃料電池貨車(chē)和客車(chē)上路，同時(shí)，燃料電池火車(chē)也可能會(huì)取代大約570輛柴油火車(chē)。

gasforclimate2050.eu于2021年6月發(fā)布的報(bào)告“分析氫的未來(lái)需求、供應(yīng)和運(yùn)輸”，對(duì)燃料電池在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的增長(zhǎng)作了進(jìn)一步的分析，指出：氫是實(shí)現(xiàn)重型公路運(yùn)輸脫碳的一項(xiàng)有前景的選擇，特別是遠(yuǎn)程車(chē)輛和重型公路運(yùn)輸。預(yù)計(jì)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(chē)以及4%、21%和25%的客車(chē)提供動(dòng)力。

在下述領(lǐng)導(dǎo)者們雄心勃勃的短期和長(zhǎng)期目標(biāo)的引領(lǐng)下，預(yù)計(jì)燃料電池汽車(chē)會(huì)得到進(jìn)一步的增長(zhǎng)：

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韓國(guó)的氫經(jīng)濟(jì)路線(xiàn)圖旨在到2022年產(chǎn)銷(xiāo)81000輛氫燃料電池汽車(chē)；到2040年產(chǎn)銷(xiāo)620萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)，包括4萬(wàn)輛燃料電池客車(chē)（FCB）和3萬(wàn)輛氫燃料電池（HFC）貨車(chē)以及15GW的氫燃料電池發(fā)電廠(chǎng)。 

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日本政府希望到2030年實(shí)現(xiàn)80萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)的銷(xiāo)售目標(biāo)。

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美國(guó)加州燃料電池合作伙伴宣布，到2030年實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)的銷(xiāo)售目標(biāo)。

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中國(guó)的氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖包括：到2020年產(chǎn)銷(xiāo)5000輛燃料電池汽車(chē)，其中60%為商用車(chē)如客車(chē)，同時(shí)建造100個(gè)加氫站（HRS）；到2025年產(chǎn)銷(xiāo)5萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)，其中80%為乘用車(chē)；到2030年產(chǎn)銷(xiāo)100萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)。

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荷蘭氣候協(xié)定的目標(biāo)是：到2025年產(chǎn)銷(xiāo)15000輛燃料電池汽車(chē)和3000輛氫燃料電池重型貨車(chē)，到2030年產(chǎn)銷(xiāo)30萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)。 

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法國(guó)的目標(biāo)是：到2023年產(chǎn)銷(xiāo)5000輛燃料電池汽車(chē)和200輛氫燃料電池貨車(chē)，到2028年產(chǎn)銷(xiāo)2萬(wàn)～5萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)和800～2000輛氫燃料電池貨車(chē)。

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2020年9月，參加第二屆氫能源部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議的35個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織達(dá)成了一項(xiàng)全球行動(dòng)議程：到2030年實(shí)現(xiàn)1000萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量，鼓勵(lì)在交通工具中使用氫和燃料電池 。

質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件雙極板可以用金屬或碳纖維復(fù)合材料制成，但一些公司如位于美國(guó)俄勒岡州Bend的巴拉德燃料電池系統(tǒng)公司卻更喜歡復(fù)合材料，因?yàn)樗鼈兡芤愿偷某杀咎峁└玫哪途眯?/p>

燃料電池中的復(fù)合材料

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

由短切碳纖維和石墨填充的乙烯基酯團(tuán)狀模塑料（BMCs）在低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板中得到了廣泛應(yīng)用。隨著產(chǎn)量的增加，BMC的成本還會(huì)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(jīng)按分鐘計(jì)算的成型周期，現(xiàn)在通常只需幾秒鐘。

短切碳纖維還被用作質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層的多孔紙背襯材料。這些材料通過(guò)濕法鋪放短切PAN基的纖維而得到制備，可以實(shí)現(xiàn)大批量、低厚度的生產(chǎn)。韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)集團(tuán)的新型NEXO燃料電池汽車(chē)正在使用德國(guó)西格里碳纖維（SGL Carbon）生產(chǎn)的Sigracet氣體擴(kuò)散層，為此，西格里碳纖維（SGL Carbon）已提高了其在德國(guó)梅亭根工廠(chǎng)的Sigracet氣體擴(kuò)散層的產(chǎn)量。

為燃料電池而開(kāi)發(fā)新的復(fù)合材料

正如國(guó)際能源署（IEA）在其 “2021全球氫回顧”報(bào)告中所解釋的那樣，要提高燃料電池的耐久性，需要技術(shù)的進(jìn)步，這對(duì)于重型運(yùn)輸設(shè)備尤為重要，從而可以在保持或提高效率的同時(shí)降低成本。復(fù)合材料研發(fā)所涉及的關(guān)鍵領(lǐng)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(tuán)宣布，其對(duì)碳納米纖維展開(kāi)了研究，以提高下一代氫燃料電池中關(guān)鍵部件的效率和耐久性，同時(shí)降低成本。多年來(lái)，該公司一直致力于開(kāi)發(fā)碳納米纖維的生產(chǎn)工藝，為不同的行業(yè)應(yīng)用提供性能得到優(yōu)化的碳納米纖維。針對(duì)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(xué)反應(yīng)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(tǒng)的整體效率。“到目前為止，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室測(cè)試中取得的結(jié)果非常樂(lè)觀(guān)，產(chǎn)生的膜電極組件（MEA），在電力方面可與市場(chǎng)上的產(chǎn)品相媲美。”安通林集團(tuán)創(chuàng)新總監(jiān)Javier Villacampa表示，“我們達(dá)到這一效果只用了一半的鉑，而且在經(jīng)過(guò)相同的運(yùn)行周期后，老化程度降低了10倍。”

2021年7月，美國(guó)赫氏公司宣布，其參加了Dolphin項(xiàng)目，以開(kāi)發(fā)一種顛覆性的PEM燃料電池堆。該項(xiàng)目將產(chǎn)生一個(gè)5kW的燃料電池堆示范品和100kW的電池堆設(shè)計(jì)，目標(biāo)是增加25%的體積比能量密度并降低生產(chǎn)成本。該項(xiàng)目由燃料電池與氫合資公司資助，得到了赫氏位于法國(guó)Les Avenières、英國(guó)Duxford 和奧地利Neumarkt的生產(chǎn)基地的支持。赫氏還在提供輕量化的PrimeTex鋪絲機(jī)織碳纖維織物、HexMC模塑材料和HexPly預(yù)浸料及預(yù)浸層壓材料，這些材料將被用于終極板、氣體擴(kuò)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(tài)形式被用作氣體擴(kuò)散層中的一個(gè)單層（厚度小于100μm），HexPly M901預(yù)浸料和HexMC將被用于雙極板。赫氏將采用HexPly和HexMC生產(chǎn)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。