大家都在看冬奧會，谷凌愛，冰墩墩，特別火爆，但是對于材料人來說，我們更應該關注的氫燃料汽車，因為他們正在寒冬中迎來春天！
艾邦建有氫燃料電池產業交流群，歡迎氫燃料電池堆（雙極板，質子膜，擴散層，密封膠，催化劑等），動力系統，電池包，儲氫罐，加氫站，制氫等產業上下游，設備，材料，配件等配套，在閱讀正文前，也歡迎大家加入根據北京冬奧組委公布的數據，本屆冬奧會示范運行超1000輛氫能源汽車，并配備30多個加氫站，是全球最大的一次燃料電池汽車示范。這也使得氫燃料電池汽車成為綠色冬奧中一抹亮色，來自豐田汽車、北汽集團、宇通客車、福田汽車等車企的氫燃料電池汽車均積極投入到北京冬奧會之中。據了解，本次冬奧會示范運營車型包括氫燃料電池大巴、氫燃料電池小轎車、氫燃料電池特種車等。其中，福田汽車提供了515輛氫燃料客車，在為本次冬奧會提供保障的氫燃料大客車中占比高達80%，創下有史以來氫燃料客車服務國際級運動賽事規模最大、車型數量最多的紀錄；宇通185輛氫燃料客車（北京100輛，張家口85輛）服務北京、延慶、張家口全賽區；吉利星際提供了80輛氫燃料城市客車，豐田提供了107輛氫燃料中巴車；在小轎車車型方面，豐田提供了140輛第二代MIRAI。值得一提的是，從2008年北京奧運會的3輛氫燃料電池大巴，到2010年上海世博會的196輛氫燃料電池車，再到2022年北京冬奧會的上千輛氫燃料電池車示范運行，經過十幾年發展，我國氫能和燃料電池汽車正迎來新的發展機遇。在介紹材料之前，我們首先來回答幾個關于氫燃料電池的疑問當然不是，氫氣和氧氣在電池堆里面在貴金屬鉑進行氧化還原反應生成唯一的產物水。通常反應溫度在65-80℃，在這個電化學過程中，產生了電流。反應溫度比汽油內燃機溫度低很多，所以這一步能源轉換效率高。既然不是燃燒為何稱為燃料電池？其實氫儲存在罐子里，就像燃油存在油箱里面，所以被稱作燃料。跟鋰電池汽車類似，在加氫站還未普及的時候，商用車，貨車，客車，物流車會優先，特別是固定路線的汽車。氫氣儲罐占空間，客車貨車體積大，比乘用車方便放置。低溫環境有優勢，這次冬奧會為何說是一個典型的應用場景？低溫環境對氫燃料電池汽車影響不大，但是對鋰電池汽車就影響大了。氫燃料電池加氫時間短，類似加油，沒有里程焦慮。由于氫燃料電池汽車的發展慢，量產成本仍然高。核心技術，高端材料被日本卡脖子。在介紹什么材料能用在氫燃料電池汽車里面，由于氫燃料電池汽車主要有幾個部分，氫燃料電池堆，動力系統，儲氫系統，但是還有鋰電池包。我們還是先來看下氫燃料電池的原理：由于氫氧的電化學反應是在一定溫度和一定濕度下，由貴金屬鉑催化劑下反應，同時，質子交換膜其實是全氟磺酸膜，這是一種固體強酸。鉑催化劑，雖然很好，但是有兩個缺點，第一個就是貴，第二個怕污染，一點點雜質離子和一丁點的其他氣體都會使催化劑中毒。大家可以想象下這種反應環境，高熱，高濕，強酸；因此在空氣加熱增濕之后，或者未反應的氫氣回收途徑中使用到的材料，比如管道，閥門，過濾器等用到的塑料，不可以水解，不可以析出，不能有雜質，長時間接觸，不可以變形！低離子析出級別的PPS，是氫燃料電池的最愛。不過在空氣進入增濕器之前，燃料電池的進氣部分跟燃油車非常類似，因此選用的材料也大致相同。比如常溫的管道材料如尼龍吹塑，TPV，結構件PA6，PA66材料等。另外，高電壓部分跟鋰電池動力系統使用的材料也是相通的，比如PA66，PBT等材料。質子交換膜在氫燃料電池堆里面被稱為“芯片”，是核心材料之一。根據氟含量，可以將質子交換膜分為全氟質子交換膜、部分氟化聚合物質子交換膜、非氟聚合物質子交換膜、復合質子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結構，因而帶來優秀的熱穩定性、化學穩定性和較高的力學強度；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優秀的離子傳導特性。典型的 PFSA 離聚物基膜的分子結構如圖所示。它由兩個區域組成，PTFE 主鏈提供化學/機械/熱穩定性，親水性全氟醚側帶有參與質子傳輸過程的磺酸基團。聚萘二甲酸乙二酯（PEN）樹脂以1995年美國Amoco Chemicals公司開始的PEN原料萘二甲酸（NDC）的商業生產為契機，開始被廣泛地應用在多個領域。帝人早在此31年前，即1964年就開始了PEN樹脂的研究與開發，并以”Teonex?”為商標將其商業化，在工業零部件、食品包裝、醫藥品包裝等領域將其用途不斷拓展。“Teonex?”是一種結晶性熱塑性聚酯，它是酸性組分NDC和二元醇成分乙二醇的縮聚物，用類似于代表性聚酯”聚對苯二甲酸乙二酯（PET）”的制法生產，但其性能定位比PET更高一籌。氣體擴散層（GDL）是燃料電池重要組件之一，其主要作用在于：
- 催化劑的載體
- 支撐電機結構
- 導電作用
- 均勻擴散氣體的作用
- 擴散層輸水作用
根據氣體擴散層制作工藝中對碳纖維采用的粘接、紡織、成紙及熱壓等不同工藝，成品可以分為碳紙、碳布、碳氈等多種類產品。70MpaIV型儲氫瓶是目前燃料電池汽車的技術高地PPS 的合成主要有兩種，溶液聚合法和自縮聚法。不管是哪一種方法，聚合物中都會遺留有反應副產物鹵化金屬鹽，像鈉離子、氯離子、鉀離子等。一般應用上，對 PPS 的雜質含量沒有過多的要求。如果是應用在氫燃料電池上，其對材料雜質的要求是越低越好。線性 PPS 的離子雜質含量明顯遠比交聯型 PPS 少得多。在很多可能的工程塑料選擇中，由于PPS（聚苯硫醚）的低離子析出性，優異的抗水解和抗化學腐蝕能力，使其與燃料電池的工況要求鍥合度最好。氫能燃料電池汽車發展的關鍵點之一是通過輕量化集成設計來提高燃料電堆系統的功率密度和可靠性，并降低量產成本。基于高溫尼龍 PA9T其卓越的耐熱性和耐化學性、出色的機械性質和耐沖擊強度、良好的尺寸穩定性和穩定的長期性能，能夠滿足這些組件的應用要求，還達到了燃料電池和電子部件等敏感應用的純度要求。它不僅表現出了極佳的剛度、強度和韌度，耐磨損性能和摩擦行為也十分出色。廣泛的冷卻液應用試驗表明，該材料能夠在乙二醇、水和氫氣的混合物中承受 105°C 的連續使用溫度長達 10,000 至 20,000 小時。此外，這種 PPA 材料的燃料滲透率、滲氣率和揮發物含量極低，可有效防止發動機系統被腐蝕或污染。在氫燃料罐方面，HDPE 已經遇到了它的對手。豐田為其 Mirai 燃料電池汽車 (FCV) 制造油箱的工藝需要吹塑內襯，然后用碳纖維包裹，然后用在 150°C 固化的環氧樹脂浸漬纖維。再加上儲罐在低至 -70°C 的低溫下保持其完整性的要求，聚酰胺 (PA) 6 材料被選為首選材料。PA6還具有優異的氫滲透防止性能、對因氫氣的填充和釋放引起的罐溫度突然變化的耐久性。IV型儲氫罐帶來了新的材料解決方案，該儲罐可以由聚酰胺6吹塑內膽制成，并用碳纖維增強UD膠帶環繞，從而實現了輕量化和低氫滲透率，又不會降低在高壓（70Mpa）下所需的強度，確保安全。除了今天我們列舉的高分子材料，比如PA66,PBT，硅橡膠，EPDM，TPV，TPEE，PP等。在高分子方面走在前面的企業有，DSM，杜邦，阿科瑪，贏創，宇部，東麗，帝人，Albis，三菱化學， 巴斯夫，戈爾，東岳，索爾維，科慕化學等等；此外氫燃料電池也涉及到很多加工工藝及設備，后續我們將在下面這個公眾號給大家介紹。在“雙碳”目標的指引下，以綠色冬奧為契機，氫燃料電池汽車產業也將步入新的發展階段。原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：冬奧會之后，氫燃料電池汽車將迎來新的發展機遇，高分子材料應用大全
