复合材料终端市场：2022燃料电池和电池 复材云集|复合材料

量增加的同时，燃料电池汽车预计也将快速增长，这两者都在推动复合材料及其成型工艺取得新的进展。

左图为PEM燃料电池膜和双极板（图片由戴姆勒公司提供），右图为采用环氧SMC上盖的电动汽车电池盒（图片由赢创提供）

根据国际能源署（IEA）的“2021全球氢回顾”报告，自2008年以来，汽车燃料电池的成本已下降了70%。到2021年年末，全球燃料电池的产能预计每年将超过20万个系统，由40多家制造商供货。

国际能源署（IEA）的“2021全球氢回顾”报告第83页

目前，日本丰田汽车公司每年生产3万个燃料电池系统，而韩国现代汽车公司正在建造第二家工厂，到2022年，其年产能将超过4万个系统，目标是到2030年达到每年50万个系统的产能。按照供应商们目前已经宣布的产能，到2030年，全球的年产能共计将达到130万个系统。

根据燃料电池与氢合资公司（Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking）撰写的“欧洲氢路线图”报告，到2030年，每22辆出售的乘用车中就有一辆是燃料电池电动汽车（FCEV），每12辆出售的轻型商用车（LCV）中就有一辆是燃料电池电动汽车，总计将有370万辆燃料电池乘用车和50万辆燃料电池轻型商用车出售。此外，到2030年，可能将有大约45000辆燃料电池货车和客车上路，同时，燃料电池火车也可能会取代大约570辆柴油火车。

gasforclimate2050.eu于2021年6月发布的报告“分析氢的未来需求、供应和运输”，对燃料电池在交通运输领域的增长作了进一步的分析，指出：氢是实现重型公路运输脱碳的一项有前景的选择，特别是远程车辆和重型公路运输。预计到2030年、2040年和2050年，氢燃料电池可以分别为5%、30%和55%的货车以及4%、21%和25%的客车提供动力。

在下述领导者们雄心勃勃的短期和长期目标的引领下，预计燃料电池汽车会得到进一步的增长：

韩国的氢经济路线图旨在到2022年产销81000辆氢燃料电池汽车；到2040年产销620万辆氢燃料电池汽车，包括4万辆燃料电池客车（FCB）和3万辆氢燃料电池（HFC）货车以及15GW的氢燃料电池发电厂。

2.日本政府希望到2030年实现80万辆燃料电池汽车的销售目标。

3.美国加州燃料电池合作伙伴宣布，到2030年实现100万辆燃料电池汽车的销售目标。

4.中国的氢燃料电池汽车技术路线图包括：到2020年产销5000辆燃料电池汽车，其中60%为商用车如客车，同时建造100个加氢站（HRS）；到2025年产销5万辆燃料电池汽车，其中80%为乘用车；到2030年产销100万辆燃料电池汽车。

5.荷兰气候协定的目标是：到2025年产销15000辆燃料电池汽车和3000辆氢燃料电池重型货车，到2030年产销30万辆燃料电池汽车。

6.法国的目标是：到2023年产销5000辆燃料电池汽车和200辆氢燃料电池货车，到2028年产销2万～5万辆燃料电池汽车和800～2000辆氢燃料电池货车。

7.2020年9月，参加第二届氢能源部长级会议的35个国家和国际组织达成了一项全球行动议程：到2030年实现1000万辆燃料电池汽车的产销量，鼓励在交通工具中使用氢和燃料电池。

质子交换膜燃料电池的关键部件双极板可以用金属或碳纤维复合材料制成，但一些公司如位于美国俄勒冈州Bend的巴拉德燃料电池系统公司却更喜欢复合材料，因为它们能以更低的成本提供更好的耐久性（图片来自巴拉德燃料电池系统公司）

（a）为聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的主要部件，（b）为一个典型的膜电极组体（MEA）示意图（图片来自马来西亚科班桑大学燃料电池研究所）

燃料电池中的复合材料

碳纤维复合材料可用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的双极板、气体扩散层、端板和其他系统组件。过去，热固性复合材料因成型周期较长、废品率较高以及不能生产出像冲压金属板一样薄的模压复合材料板，而被认为仅限于低产量和固定的应用。然而最近，这些问题已得到解决，从而使复合材料在将能量密度作为次要条件的高、低温质子交换膜燃料电池应用方面具有比金属更明显的优势。

由短切碳纤维和石墨填充的乙烯基酯团状模塑料（BMCs）在低温质子交换膜燃料电池的双极板中得到了广泛应用。随着产量的增加，BMC的成本还会大幅下降。同样，由于配方的改善以及能够制造出截面更薄的板材，曾经按分钟计算的成型周期，现在通常只需几秒钟。

短切碳纤维还被用作质子交换膜燃料电池气体扩散层的多孔纸背衬材料。这些材料通过湿法铺放短切PAN基的纤维而得到制备，可以实现大批量、低厚度的生产。韩国现代汽车集团的新型NEXO燃料电池汽车正在使用德国西格里碳纤维（SGL Carbon）生产的Sigracet气体扩散层，为此，西格里碳纤维（SGL Carbon）已提高了其在德国梅亭根工厂的Sigracet气体扩散层的产量。

为燃料电池而开发新的复合材料

正如国际能源署（IEA）在其 “2021全球氢回顾”报告中所解释的那样，要提高燃料电池的耐久性，需要技术的进步，这对于重型运输设备尤为重要，从而可以在保持或提高效率的同时降低成本。复合材料研发所涉及的关键领域包括燃料电池薄膜和双极板。

2021年6月，西班牙安通林集团宣布，其对碳纳米纤维展开了研究，以提高下一代氢燃料电池中关键部件的效率和耐久性，同时降低成本。多年来，该公司一直致力于开发碳纳米纤维的生产工艺，为不同的行业应用提供性能得到优化的碳纳米纤维。针对燃料电池，碳纳米纤维作为铂纳米粒子的物理载体，起到化学反应催化剂的作用。纳米纤维的使用，减少了铂的用量并显著提高了电极的耐久性以及系统的整体效率。“到目前为止，我们在实验室测试中取得的结果非常乐观，产生的膜电极组件（MEA），在电力方面可与市场上的产品相媲美。”安通林集团创新总监Javier Villacampa表示，“我们达到这一效果只用了一半的铂，而且在经过相同的运行周期后，老化程度降低了10倍。”

2021年7月，美国赫氏公司宣布，其参加了Dolphin项目，以开发一种颠覆性的PEM燃料电池堆。该项目将产生一个5kW的燃料电池堆示范品和100kW的电池堆设计，目标是增加25%的体积比能量密度并降低生产成本。该项目由燃料电池与氢合资公司资助，得到了赫氏位于法国Les Avenières、英国Duxford 和奥地利Neumarkt的生产基地的支持。赫氏还在提供轻量化的PrimeTex铺丝机织碳纤维织物、HexMC模塑材料和HexPly预浸料及预浸层压材料，这些材料将被用于终极板、气体扩散层和双极板，以减小燃料电池堆的重量和体积。PrimeTex 将以干态形式被用作气体扩散层中的一个单层（厚度小于100μm），HexPly M901预浸料和HexMC将被用于双极板。赫氏将采用HexPly和HexMC生产模压成型的终极板，以取代金属板，减轻重量并集成额外的功能。

电池电动汽车发展迅猛

虽然氢燃料电池获得了增长的动力,但汽车行业依然将更多的注意力放在电池能源方面。根据国际能源署（IEA）的说法，2020年销售的电动汽车（EVs）大约有300万辆，而Canalys.com于2021年8月发布的一份报告指出，2021年上半年销往世界各地的电动汽车（EVs）约有260万辆，达到了2020年上半年销量的160% 以上。

2021年上半年，在中国和欧洲销售的所有汽车中，电动汽车分别占12%和15%的比重，而同期在美国销售的新车中，电动汽车仅占3%。

国际能源署（IEA）于2021年4月发布的报告称，到2030年，运行在道路上的电动汽车、公共汽车、厢式货车和重型货车的数量预计将达到1.45亿辆。2020年7月公布的数据显示，主流汽车制造商的目标是：到2025年，沃尔沃销售的车辆中，将有50%是电动汽车；到2030年，戴姆勒销售的车辆中，将有50%是电动汽车；到2030年，大众销售的车辆中，将有40%是电动汽车。

电池盒

TRB Lightweight Structures公司制造的CFRP电池盒

通过减轻电池盒的重量，复合材料有助于抵消沉重的电池重量。一个例子是由英国TRB Lightweight Structures公司（以下简称TRB）为电动公交车开发的CFRP电池盒，这些电动公交车每辆都配有6个74kW的电池，含电池盒在内的每个电池的重量是550kg。然而，为满足整体重量要求，电池盒只有15kg，这与之前64kg的铝电池盒相比，重量显著降低。为了满足其他方面的要求，包括在美国制造以及年产量达到 4万件，TRB与丰田通商美国公司合资，在美国肯塔基州里士满建造了一个专门的生产工厂，该工厂采用高面重的碳纤维织物制造2m×1m大小的电池盒。在该工厂内部，首先采用一种2min固化的环氧树脂对织物进行预浸，然后立即切割预浸料，并利用拾取-放置机器人将切好的预浸料自动放入匹配的金属模具中，进行快速的模压固化（FPC）加工，循环时间是11 min。成型好的部件由机器人操作进行后续的加工和组装，包括修边、粘接嵌件和放置垫圈。该部件的设计还包括在下壳体上增加额外的层，以用于隔热、电绝缘和电磁屏蔽。该项目计划于2021年全面投产，同时，TRB 还在与其他潜在客户讨论更多的中、高产量的电池盒生产项目。

德国西格里碳纤维（SGL Carbon）也于2021年启动了一项生产，主要为一家北美的汽车制造商生产碳纤维和玻璃纤维复合材料的电池壳上、下层铺层材料。这项高产量的应用是一款电动汽车底盘的关键部分，满足严格的减重、刚性、碰撞保护、热管理以及防火、防水和防气要求。这份合同是在2019年宣布了西格里碳纤维（SGL Carbon）为中国的汽车制造商蔚来成功地生产出复合材料电池壳原型之后签署的。西格里碳纤维（SGL Carbon）表示，与这家制造商可能有更多的订单，甚至更大的订量。与此同时，西格里碳纤维（SGL Carbon）还从一家欧洲的跑车制造商那里获得了一份计划于2020年中期开始的小批量供货合同，批量生产复合材料电池壳的底层材料。

另一家供应电池盒的公司是英国的SHD Composites公司，其预浸料采用了符合酚醛性能的生物基聚糠醇（PFA）热固性树脂。其PS200 预浸料满足了欧洲航空安全局（EASA）规定的飞机蓄电池防火要求，并已为通用的航空飞机制造商所采纳。模拟电池着火测试显示，当内部温度达到1100℃时，外部温度从未超过250℃，电池盒从未烧毁或分解。英国Composites Evolution公司也提供生物基聚糠醇（PFA）的预浸料，采用的增强材料包括亚麻纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或碳纤维，且已通过了飞机和铁路部门要求的火焰、烟雾和毒性（FST）测试。

日本帝人集团旗下子公司大陆结构塑料（CPS）自2012年首次开始为雪佛兰Spark提供上下电池壳以来，近10年中，该公司一直在提供模压成型的复合材料电动汽车电池壳。此后，该公司的电池盒盖越来越受欢迎，目前制造的电池盒盖尺寸可以达到1.5m×2m或者更大。2020年12月，大陆结构塑料（CSP）与帝人展示了一款全尺寸的多材料电动汽车电池盒示范件，它至少包括3个结构组件：相对较薄的复合材料上盖、较厚的且更加结构化的复合材料底盘，以及一个金属的梯形框架，以为电池盒内部的电池提供额外的支撑。大陆结构塑料（CSP）还开发了一种吸能泡沫结构的内部框架，可以用于更高的碰撞保护。上盖和底盘经模压成型，并可以采用大陆结构塑料开发的各种防火方案。据说，这种多材料的电池盒要比钢制电池盒轻15%，比铝电池盒的耐热性更好。

目前，大陆结构塑料（CSP）已在美国和中国开发生产了34 种电池盒盖。

大陆结构塑料（CSP）自2012年以来就一直在设计和制造复合材料的电池壳，最近，该公司已扩大了其产品组合，涵盖了完整的电池盒（图片来自CSP）

与此同时，美国IDI复合材料国际公司针对电动汽车（EV）和新能源汽车（NEV）市场而推出了新的纤维增强与树脂组合材料Flamevex，它专为生产电池盒系统而设计。

采用IDI复合材料国际公司的Flamevex 材料制成的电动汽车电池盒（图片来自IDI复合材料国际公司）

为生产电池盒而新开发的复合材料

2021年5月，碳纤维制造商日本东丽工业公司宣布，其开发出一种高热导率技术，可使碳纤维增强塑料（CFRP）的散热性能提高到金属的水平。将这项技术用于CFRP，通过材料内部的热传导即可使热量有效地散发出去。这有助于抑制电池在移动应用中发生老化，同时提高了在电子设备应用中的性能。东丽的这项突破，为有效地散发电池和电子线路中的热量同时又能利用CFRP实现减重而提供了一种技术方案。该公司预计，采纳其技术的CFRP 应用将包括对轻量化和散热性能有要求的先进的交通工具、移动电子设备和可穿戴设备等。

于2021年完成的“composites for sustainable mobility”（CosiMo）项目，旨在为生产一种电池盒盖的挑战性部件而开发一种智能的热塑性树脂传递模塑成型（T-RTM）工艺。该部件长1100 mm、宽530 mm，由法国佛吉亚绿动智行系统公司位于德国奥格斯堡的研究中心设计，用于探索材料和工艺的局限性，包括金属嵌件和泡沫芯层、复杂形状以及2.5～10mm的厚度变化。这些部件由德国宇航中心（DLR）的轻量化生产技术中心（ZLP）制造，目标是为采用带有传感器的RTM模具和热压机的单步法工艺，开发一种完全自动化的过程控制方法。在RTM 模具中集成了70多个传感器，从而能够在注射己内酰胺单体及其原位聚合成PA6复合材料的过程中监测树脂的流动。该传感器网中含有德国Netzsch公司提供的电介质传感器，并整合了瑞士Kistler 公司的压力/温度传感器和奥格斯堡大学开发的超声波传感器。来自传感器的工艺参数数据还被用于优化工艺模拟模型，然后据此开发基于机器学习方法的仿真数据驱动的自动化的过程控制。ZLP共生产出100多个高品质的部件。在项目研发过程中获得的知识，将被用于工业化的批量生产以及未来对其他复合材料工艺的数字化闭环控制。

德国宇航中心轻量化生产技术中心采用T-RTM工艺生产的电池盒盖挑战性部件（图片来自德国宇航中心轻量化生产技术中心）

美国Technical Fibre Products（以下简称TFP）公司多年来一直供应多种材料的非织造面纱,它被用于层间以及复合材料部件的表面，用来增加电磁干扰（EMI）屏蔽性、导电性、反射性、耐磨性或防火性。正如该公司技术总监Nigel Walker所解释的那样：电池盒要能够防止电磁干扰，能够压制火势，且能够在做到这些的同时，保证轻量化并由复合材料制造。随着许多电动汽车制造商逐步放弃使用金属电池盒而转向采用轻质的复合材料，一些意想不到的后果可能包括失去金属基的耐火性或电磁屏蔽性能。“比如，我们可以添加一层薄薄的镀镍材料，它能够屏蔽电能，从而不会干扰车内的其他系统，同时保持部件必要的重量和厚度。” TFP 总裁John Haaland表示。“这是多功能特性的一个很好的例子。”Walker补充道。

实现复合材料层压板多功能性的另一条途径是美国Boston Materials公司的Supercomp、ZRT和Bimetal 材料。在卷到卷的加工中，使用该公司专利的磁力定位工艺，可以使粉碎的碳纤维垂直定向成片状。通过面外定向碳纤维，Boston Materials克服了复合材料传统的对通过层压板厚度的导电性所带来的限制。“我们正在展示能与铝相媲美的热导率和电导率。”Boston Materials公司的创始人Anvesh Gurijala说道，“我们已经达到纳米纤维的性能水平，镍面纱和膨胀金属箔可用于防电磁干扰和雷击，而成本和加工性能也都有所改善。”当与热塑性塑料薄膜结合时，ZRT材料可被成型出复杂的形状并拥有类似铝的热导率。“可以采用低成本、大批量的热成型工艺来生产具有非常小的特征结构以增加表面积的非金属热交换器面板。”Gurijala说道。

通过热成型ZRT/PPS薄膜而制成的复杂微凹结构（最小特征尺寸0.5mm），增加了非金属热交换器中的这块面板的传热面积和效率（图片来自Boston Materials）

除了多功能的电池盒外，由瑞典查尔姆斯理工大学的Leif Asp教授领导的团队，还在开发碳纤维复合材料制成的结构电池，这是一种能够提供结构特征和能量储存的多电池层压板。根据Asp及其团队在2021年1月份的报纸上发表的“先进的能源与可持续的研究”论文中的介绍，查尔姆斯理工大学的电池是建立在之前的设计基础之上，在一种基于电解质的基质材料中含有碳纤维的阴极和铝膜阳极，以及玻璃纤维的隔离层。目前的设计显示出高达24Wh/kg的能量密度。在2021年5月举行的网络研讨会上，Asp 表示，研究人员们正致力于提高能量密度以及开发曲面结构。按照他的设想，这种类型的电池可用于在汽车或飞机内部进行局部储能。文章来源：PT现代塑料

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