在電池電動汽車產量增加的同時，燃料電池汽車預計也將快速增長，這兩者都在推動復合材料及其成型工藝取得新的進展。
左圖為PEM燃料電池膜和雙極板（圖片由戴姆勒公司提供），右圖為采用環氧SMC上蓋的電動汽車電池盒（圖片由贏創提供）
今天，我們來看一下，在氫燃料電池領域，復合材料及其成型工藝取得新的進展。
根據國際能源署（IEA）的“2021全球氫回顧”報告，自2008年以來，汽車燃料電池的成本已下降了70%。到2021年年末，全球燃料電池的產能預計每年將超過20萬個系統，由40多家制造商供貨。
國際能源署（IEA）的“2021全球氫回顧”報告第83頁
目前，日本豐田汽車公司每年生產3萬個燃料電池系統，而韓國現代汽車公司正在建造第二家工廠，到2022年，其年產能將超過4萬個系統，目標是到2030年達到每年50萬個系統的產能。按照供應商們目前已經宣布的產能，到2030年，全球的年產能共計將達到130萬個系統。
根據燃料電池與氫合資公司（Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking）撰寫的“歐洲氫路線圖”報告，到2030年，每22輛出售的乘用車中就有一輛是燃料電池電動汽車（FCEV），每12輛出售的輕型商用車（LCV）中就有一輛是燃料電池電動汽車，總計將有370萬輛燃料電池乘用車和50萬輛燃料電池輕型商用車出售。此外，到2030年，可能將有大約45000輛燃料電池貨車和客車上路，同時，燃料電池火車也可能會取代大約570輛柴油火車。
gasforclimate2050.eu于2021年6月發布的報告“分析氫的未來需求、供應和運輸”，對燃料電池在交通運輸領域的增長作了進一步的分析，指出：氫是實現重型公路運輸脫碳的一項有前景的選擇，特別是遠程車輛和重型公路運輸。預計到2030年、2040年和2050年，氫燃料電池可以分別為5%、30%和55%的貨車以及4%、21%和25%的客車提供動力。
在下述領導者們雄心勃勃的短期和長期目標的引領下，預計燃料電池汽車會得到進一步的增長：
韓國的氫經濟路線圖旨在到2022年產銷81000輛氫燃料電池汽車；到2040年產銷620萬輛氫燃料電池汽車，包括4萬輛燃料電池客車（FCB）和3萬輛氫燃料電池（HFC）貨車以及15GW的氫燃料電池發電廠。
日本政府希望到2030年實現80萬輛燃料電池汽車的銷售目標。
美國加州燃料電池合作伙伴宣布，到2030年實現100萬輛燃料電池汽車的銷售目標。
中國的氫燃料電池汽車技術路線圖包括：到2020年產銷5000輛燃料電池汽車，其中60%為商用車如客車，同時建造100個加氫站（HRS）；到2025年產銷5萬輛燃料電池汽車，其中80%為乘用車；到2030年產銷100萬輛燃料電池汽車。
荷蘭氣候協定的目標是：到2025年產銷15000輛燃料電池汽車和3000輛氫燃料電池重型貨車，到2030年產銷30萬輛燃料電池汽車。
法國的目標是：到2023年產銷5000輛燃料電池汽車和200輛氫燃料電池貨車，到2028年產銷2萬～5萬輛燃料電池汽車和800～2000輛氫燃料電池貨車。
2020年9月，參加第二屆氫能源部長級會議的35個國家和國際組織達成了一項全球行動議程：到2030年實現1000萬輛燃料電池汽車的產銷量，鼓勵在交通工具中使用氫和燃料電池 。
質子交換膜燃料電池的關鍵部件雙極板可以用金屬或碳纖維復合材料制成，但一些公司如位于美國俄勒岡州Bend的巴拉德燃料電池系統公司卻更喜歡復合材料，因為它們能以更低的成本提供更好的耐久性（圖片來自巴拉德燃料電池系統公司）
（a）為聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）的主要部件，（b）為一個典型的膜電極組體（MEA）示意圖（圖片來自馬來西亞科班桑大學燃料電池研究所）
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碳纖維復合材料可用于質子交換膜燃料電池（PEMFC）的雙極板、氣體擴散層、端板和其他系統組件。過去，熱固性復合材料因成型周期較長、廢品率較高以及不能生產出像沖壓金屬板一樣薄的模壓復合材料板，而被認為僅限于低產量和固定的應用。然而最近，這些問題已得到解決，從而使復合材料在將能量密度作為次要條件的高、低溫質子交換膜燃料電池應用方面具有比金屬更明顯的優勢。
由短切碳纖維和石墨填充的乙烯基酯團狀模塑料（BMCs）在低溫質子交換膜燃料電池的雙極板中得到了廣泛應用。隨著產量的增加，BMC的成本還會大幅下降。同樣，由于配方的改善以及能夠制造出截面更薄的板材，曾經按分鐘計算的成型周期，現在通常只需幾秒鐘。
短切碳纖維還被用作質子交換膜燃料電池氣體擴散層的多孔紙背襯材料。這些材料通過濕法鋪放短切PAN基的纖維而得到制備，可以實現大批量、低厚度的生產。韓國現代汽車集團的新型NEXO燃料電池汽車正在使用德國西格里碳纖維（SGL Carbon）生產的Sigracet氣體擴散層，為此，西格里碳纖維（SGL Carbon）已提高了其在德國梅亭根工廠的Sigracet氣體擴散層的產量。
正如國際能源署（IEA）在其 “2021全球氫回顧”報告中所解釋的那樣，要提高燃料電池的耐久性，需要技術的進步，這對于重型運輸設備尤為重要，從而可以在保持或提高效率的同時降低成本。復合材料研發所涉及的關鍵領域包括燃料電池薄膜和雙極板。
2021年6月，西班牙安通林集團宣布，其對碳納米纖維展開了研究，以提高下一代氫燃料電池中關鍵部件的效率和耐久性，同時降低成本。多年來，該公司一直致力于開發碳納米纖維的生產工藝，為不同的行業應用提供性能得到優化的碳納米纖維。針對燃料電池，碳納米纖維作為鉑納米粒子的物理載體，起到化學反應催化劑的作用。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的整體效率。“到目前為止，我們在實驗室測試中取得的結果非常樂觀，產生的膜電極組件（MEA），在電力方面可與市場上的產品相媲美。”安通林集團創新總監Javier Villacampa表示，“我們達到這一效果只用了一半的鉑，而且在經過相同的運行周期后，老化程度降低了10倍。”
2021年7月，美國赫氏公司宣布，其參加了Dolphin項目，以開發一種顛覆性的PEM燃料電池堆。該項目將產生一個5kW的燃料電池堆示范品和100kW的電池堆設計，目標是增加25%的體積比能量密度并降低生產成本。該項目由燃料電池與氫合資公司資助，得到了赫氏位于法國Les Avenières、英國Duxford 和奧地利Neumarkt的生產基地的支持。赫氏還在提供輕量化的PrimeTex鋪絲機織碳纖維織物、HexMC模塑材料和HexPly預浸料及預浸層壓材料，這些材料將被用于終極板、氣體擴散層和雙極板，以減小燃料電池堆的重量和體積。PrimeTex 將以干態形式被用作氣體擴散層中的一個單層（厚度小于100μm），HexPly M901預浸料和HexMC將被用于雙極板。赫氏將采用HexPly和HexMC生產模壓成型的終極板，以取代金屬板，減輕重量并集成額外的功能。
原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：復合材料在氫燃料電池應用
