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(yīng)該關(guān)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(chǎn)業(yè)交流群，歡迎氫燃料電池堆（雙極板，質(zhì)子膜，擴散層，密封膠，催化劑等），動力系統(tǒng)，電池包，儲氫罐，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(jù)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(dá)80%，創(chuàng)下有史以來氫燃料客車服務(wù)國際級運動賽事規(guī)模最大、車型數(shù)量最多的紀(jì)錄；宇通185輛氫燃料客車（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，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(jīng)過十幾年發(fā)展，我國氫能和燃料電池汽車正迎來新的發(fā)展機遇。
在介紹材料之前，我們首先來回答幾個關(guān)于氫燃料電池的疑問
1：氫燃料電池是不是像內(nèi)燃機一樣，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℃，在這個電化學(xué)過程中，產(chǎn)生了電流。反應(yīng)溫度比汽油內(nèi)燃機溫度低很多，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(yōu)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。
3：氫燃料電池對比鋰電池汽車有什么優(yōu)勢？
低溫環(huán)境有優(yōu)勢，這次冬奧會為何說是一個典型的應(yīng)用場景？低溫環(huán)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(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?yán)锩妫捎跉淙剂想姵仄囍饕袔讉€部分，氫燃料電池堆，動力系統(tǒng)，儲氫系統(tǒng)，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(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，質(zhì)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(zhì)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(yīng)環(huán)境，高熱，高濕，強酸；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，過濾器等用到的塑料，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(jié)構(gòu)件PA6，PA66材料等。
另外，高電壓部分跟鋰電池動力系統(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，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結(jié)構(gòu)，因而帶來優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)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(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。它由兩個區(qū)域組成，PTFE 主鏈提供化學(xué)/機械/熱穩(wěn)定性，親水性全氟醚側(cè)帶有參與質(zhì)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(yè)生產(chǎn)為契機，開始被廣泛地應(yīng)用在多個領(lǐng)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(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，用類似于代表性聚酯”聚對苯二甲酸乙二酯（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(jié)構(gòu)
- 導(dǎo)電作用
- 均勻擴散氣體的作用
- 擴散層輸水作用
根據(jù)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?xì)值榷喾N類產(chǎn)品。
70MpaIV型儲氫瓶是目前燃料電池汽車的技術(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 PPS 的雜質(zhì)含量沒有過多的要求。如果是應(yīng)用在氫燃料電池上，其對材料雜質(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。
氫能燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵點之一是通過輕量化集成設(shè)計來提高燃料電堆系統(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、出色的機械性質(zhì)和耐沖擊強度、良好的尺寸穩(wěn)定性和穩(wěn)定的長期性能，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)使用溫度長達(dá) 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(fā)物含量極低，可有效防止發(fā)動機系統(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(nèi)襯，然后用碳纖維包裹，然后用在 150°C 固化的環(huán)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(yōu)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(nèi)膽制成，并用碳纖維增強UD膠帶環(huán)繞，從而實現(xiàn)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(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，戈爾，東岳，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)我們將在下面這個公眾號給大家介紹。
在“雙碳”目標(biāo)的指引下，以綠色冬奧為契機，氫燃料電池汽車產(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（艾邦高分子）：冬奧會之后，氫燃料電池汽車將迎來新的發(fā)展機遇，高分子材料應(yīng)用大全
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