大家都在看冬奧會(huì)，谷凌愛(ài)，冰墩墩，特別火爆，但是對(duì)于材料人來(lái)說(shuō)，我們更應(yīng)該關(guān)注的氫燃料汽車(chē)，因?yàn)樗麄冋诤杏瓉?lái)春天！
艾邦建有氫燃料電池產(chǎn)業(yè)交流群，歡迎氫燃料電池堆（雙極板，質(zhì)子膜，擴(kuò)散層，密封膠，催化劑等），動(dòng)力系統(tǒng)，電池包，儲(chǔ)氫罐，加氫站，制氫等產(chǎn)業(yè)上下游，設(shè)備，材料，配件等配套，在閱讀正文前，也歡迎大家加入根據(jù)北京冬奧組委公布的數(shù)據(jù)，本屆冬奧會(huì)示范運(yùn)行超1000輛氫能源汽車(chē)，并配備30多個(gè)加氫站，是全球最大的一次燃料電池汽車(chē)示范。這也使得氫燃料電池汽車(chē)成為綠色冬奧中一抹亮色，來(lái)自豐田汽車(chē)、北汽集團(tuán)、宇通客車(chē)、福田汽車(chē)等車(chē)企的氫燃料電池汽車(chē)均積極投入到北京冬奧會(huì)之中。據(jù)了解，本次冬奧會(huì)示范運(yùn)營(yíng)車(chē)型包括氫燃料電池大巴、氫燃料電池小轎車(chē)、氫燃料電池特種車(chē)等。其中，福田汽車(chē)提供了515輛氫燃料客車(chē)，在為本次冬奧會(huì)提供保障的氫燃料大客車(chē)中占比高達(dá)80%，創(chuàng)下有史以來(lái)氫燃料客車(chē)服務(wù)國(guó)際級(jí)運(yùn)動(dòng)賽事規(guī)模最大、車(chē)型數(shù)量最多的紀(jì)錄；宇通185輛氫燃料客車(chē)（北京100輛，張家口85輛）服務(wù)北京、延慶、張家口全賽區(qū)；吉利星際提供了80輛氫燃料城市客車(chē)，豐田提供了107輛氫燃料中巴車(chē)；在小轎車(chē)車(chē)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(yùn)會(huì)的3輛氫燃料電池大巴，到2010年上海世博會(huì)的196輛氫燃料電池車(chē)，再到2022年北京冬奧會(huì)的上千輛氫燃料電池車(chē)示范運(yùn)行，經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展，我國(guó)氫能和燃料電池汽車(chē)正迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。在介紹材料之前，我們首先來(lái)回答幾個(gè)關(guān)于氫燃料電池的疑問(wèn)1：氫燃料電池是不是像內(nèi)燃機(jī)一樣，把氫氣燃燒？當(dāng)然不是，氫氣和氧氣在電池堆里面在貴金屬鉑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成唯一的產(chǎn)物水。通常反應(yīng)溫度在65-80℃，在這個(gè)電化學(xué)過(guò)程中，產(chǎn)生了電流。反應(yīng)溫度比汽油內(nèi)燃機(jī)溫度低很多，所以這一步能源轉(zhuǎn)換效率高。既然不是燃燒為何稱為燃料電池？其實(shí)氫儲(chǔ)存在罐子里，就像燃油存在油箱里面，所以被稱作燃料。2：氫燃料電池汽車(chē)路線將會(huì)如何走？跟鋰電池汽車(chē)類(lèi)似，在加氫站還未普及的時(shí)候，商用車(chē)，貨車(chē)，客車(chē)，物流車(chē)會(huì)優(yōu)先，特別是固定路線的汽車(chē)。氫氣儲(chǔ)罐占空間，客車(chē)貨車(chē)體積大，比乘用車(chē)方便放置。3：氫燃料電池對(duì)比鋰電池汽車(chē)有什么優(yōu)勢(shì)？低溫環(huán)境有優(yōu)勢(shì)，這次冬奧會(huì)為何說(shuō)是一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景？低溫環(huán)境對(duì)氫燃料電池汽車(chē)影響不大，但是對(duì)鋰電池汽車(chē)就影響大了。氫燃料電池加氫時(shí)間短，類(lèi)似加油，沒(méi)有里程焦慮。4：氫燃料電池比鋰電池汽車(chē)有什么劣勢(shì)嗎？由于氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展慢，量產(chǎn)成本仍然高。核心技術(shù)，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(chē)?yán)锩?，由于氫燃料電池汽?chē)主要有幾個(gè)部分，氫燃料電池堆，動(dòng)力系統(tǒng)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)，但是還有鋰電池包。我們還是先來(lái)看下氫燃料電池的原理：由于氫氧的電化學(xué)反應(yīng)是在一定溫度和一定濕度下，由貴金屬鉑催化劑下反應(yīng)，同時(shí)，質(zhì)子交換膜其實(shí)是全氟磺酸膜，這是一種固體強(qiáng)酸。鉑催化劑，雖然很好，但是有兩個(gè)缺點(diǎn)，第一個(gè)就是貴，第二個(gè)怕污染，一點(diǎn)點(diǎn)雜質(zhì)離子和一丁點(diǎn)的其他氣體都會(huì)使催化劑中毒。大家可以想象下這種反應(yīng)環(huán)境，高熱，高濕，強(qiáng)酸；因此在空氣加熱增濕之后，或者未反應(yīng)的氫氣回收途徑中使用到的材料，比如管道，閥門(mén)，過(guò)濾器等用到的塑料，不可以水解，不可以析出，不能有雜質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間接觸，不可以變形！低離子析出級(jí)別的PPS，是氫燃料電池的最?lèi)?ài)。不過(guò)在空氣進(jìn)入增濕器之前，燃料電池的進(jìn)氣部分跟燃油車(chē)非常類(lèi)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(jié)構(gòu)件PA6，PA66材料等。另外，高電壓部分跟鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)使用的材料也是相通的，比如PA66，PBT等材料。質(zhì)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(jù)氟含量，可以將質(zhì)子交換膜分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹(shù)脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結(jié)構(gòu)，因而帶來(lái)優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強(qiáng)度；聚合物膜壽命較長(zhǎng)，同時(shí)由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團(tuán)，具有優(yōu)秀的離子傳導(dǎo)特性。典型的 PFSA 離聚物基膜的分子結(jié)構(gòu)如圖所示。它由兩個(gè)區(qū)域組成，PTFE 主鏈提供化學(xué)/機(jī)械/熱穩(wěn)定性，親水性全氟醚側(cè)帶有參與質(zhì)子傳輸過(guò)程的磺酸基團(tuán)。
聚萘二甲酸乙二酯（PEN）樹(shù)脂以1995年美國(guó)Amoco Chemicals公司開(kāi)始的PEN原料萘二甲酸（NDC）的商業(yè)生產(chǎn)為契機(jī)，開(kāi)始被廣泛地應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。帝人早在此31年前，即1964年就開(kāi)始了PEN樹(shù)脂的研究與開(kāi)發(fā)，并以”Teonex?”為商標(biāo)將其商業(yè)化，在工業(yè)零部件、食品包裝、醫(yī)藥品包裝等領(lǐng)域?qū)⑵溆猛静粩嗤卣埂?/section>“Teonex?”是一種結(jié)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(lèi)似于代表性聚酯”聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）”的制法生產(chǎn)，但其性能定位比PET更高一籌。氣體擴(kuò)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(jī)結(jié)構(gòu)
- 導(dǎo)電作用
- 均勻擴(kuò)散氣體的作用
- 擴(kuò)散層輸水作用
根據(jù)氣體擴(kuò)散層制作工藝中對(duì)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?xì)值榷喾N類(lèi)產(chǎn)品。碳纖維還可以在氫氣儲(chǔ)罐外部纏繞層用到，如下圖所示70MpaIV型儲(chǔ)氫瓶是目前燃料電池汽車(chē)的技術(shù)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(huì)遺留有反應(yīng)副產(chǎn)物鹵化金屬鹽，像鈉離子、氯離子、鉀離子等。一般應(yīng)用上，對(duì) PPS 的雜質(zhì)含量沒(méi)有過(guò)多的要求。如果是應(yīng)用在氫燃料電池上，其對(duì)材料雜質(zhì)的要求是越低越好。線性 PPS 的離子雜質(zhì)含量明顯遠(yuǎn)比交聯(lián)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(yōu)異的抗水解和抗化學(xué)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(chē)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一是通過(guò)輕量化集成設(shè)計(jì)來(lái)提高燃料電堆系統(tǒng)的功率密度和可靠性，并降低量產(chǎn)成本。基于高溫尼龍 PA9T其卓越的耐熱性和耐化學(xué)性、出色的機(jī)械性質(zhì)和耐沖擊強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和穩(wěn)定的長(zhǎng)期性能，能夠滿足這些組件的應(yīng)用要求，還達(dá)到了燃料電池和電子部件等敏感應(yīng)用的純度要求。它不僅表現(xiàn)出了極佳的剛度、強(qiáng)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(yīng)用試驗(yàn)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(xù)使用溫度長(zhǎng)達(dá) 10,000 至 20,000 小時(shí)。此外，這種 PPA 材料的燃料滲透率、滲氣率和揮發(fā)物含量極低，可有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)被腐蝕或污染。在氫燃料罐方面，HDPE 已經(jīng)遇到了它的對(duì)手。豐田為其 Mirai 燃料電池汽車(chē) (FCV) 制造油箱的工藝需要吹塑內(nèi)襯，然后用碳纖維包裹，然后用在 150°C 固化的環(huán)氧樹(shù)脂浸漬纖維。再加上儲(chǔ)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(yōu)異的氫滲透防止性能、對(duì)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(chǔ)氫罐帶來(lái)了新的材料解決方案，該儲(chǔ)罐可以由聚酰胺6吹塑內(nèi)膽制成，并用碳纖維增強(qiáng)UD膠帶環(huán)繞，從而實(shí)現(xiàn)了輕量化和低氫滲透率，又不會(huì)降低在高壓（70Mpa）下所需的強(qiáng)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(yè)有，DSM，杜邦，阿科瑪，贏創(chuàng)，宇部，東麗，帝人，Albis，三菱化學(xué)， 巴斯夫，戈?duì)枺瑬|岳，索爾維，科慕化學(xué)等等；此外氫燃料電池也涉及到很多加工工藝及設(shè)備，后續(xù)我們將在下面這個(gè)公眾號(hào)給大家介紹。在“雙碳”目標(biāo)的指引下，以綠色冬奧為契機(jī)，氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也將步入新的發(fā)展階段。原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：冬奧會(huì)之后，氫燃料電池汽車(chē)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，高分子材料應(yīng)用大全
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