全球燃料电池汽车存量翻番，碳纤维复合材料将大有用途

尽管以燃料电池为动力的汽车未来仍将会继续发展，但增长的速度将得到制衡，复合材料零部件市场也将如此。复合材料的电动车电池组和氢燃料电池汽车将面临更大的发展机会。

碳纤维制造的电动汽车电池外壳

图片来源：SGL Carbon

疫情的爆发使氢燃料电池市场出现了转机——作为区域经济复苏倡议和减少全球二氧化碳排放的新绿色协议的一部分，多个国家的政府增加了资金。这项资助刺激了数以百计的研究项目和实施计划，广泛应用于交通和固定应用，包括热电联产(CHP)。

图片来源：Roland Berger，FCH JU

由Roland Berger撰写的“欧洲城市和地区绿色能源的燃料电池和氢气”（2018年9月），由燃料电池和氢联合事业(FCH JU)的175个利益相关者赞助的参与地区(46名受访者)的燃料电池和氢应用的总体部署计划。

根据国际能源署（IEA）2020年6月的一项分析，运输中的氢使用量比以往任何时候都增长更快，但仍仅占新低碳汽车销量的0.5％。然而，全球燃料电池汽车（FCV）的存量在2019年几乎翻了一番，达到25210，而新车的销量增长了一倍以上：从2018年的5800辆增加到12350辆。

尽管美国的FCV销量从2018年的2300辆下降至2019年的2100辆，但它仍然是FCV库存的全球领导者，大约每三辆中就有一辆。同时，日本的新FCV销量从2018年的600辆增加到2019年的700辆，而中国和韩国的新销量分别从2017年的几辆增加到2019年的4400和4100辆。

在非交通运输部门也有机会，包括工业和地方电力的脱碳能源使用。英国正在探索将其天然气网络转换为H2的可能性，该项目正在英格兰北部进行，预计于2028年启动。住宅和商业供暖和制冷占欧洲最终能源需求的40%左右。

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中。过去，由于热固性材料具有更长的模具循环时间，更高的废品率以及无法生产像冲压金属板一样薄的模制复合板，因此被认为仅限于较小的体积和固定应用。然而，最近这些问题已得到克服，在功率密度是次要要求的高温和低温PEMFC中，复合材料具有明显优于金属的优势。

照片来源：Ballard

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件，可以用金属或碳纤维复合材料制成，但诸如Ballard Fuel Cell Systems（美国本德市）的公司更喜欢复合材料，因为它们以较低的成本提供了卓越的耐久性。

（a）聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的主要组件，以及（b）典型膜电极组件（MEA）的示意图。

来源：图1来自《Review of Chitosan-Based Polymers as Proton Exchange Membranes and Roles of Chitosan-Supported Ionic Liquids》中的图1。

图片来源：马来西亚Kebangsaan大学燃料电池研究所

短切碳纤维和石墨填充/乙烯基酯整体成型化合物(bmc)在低温PEMFC双极板中得到广泛的应用。随着数量的增加，BMC成本显著下降。同样，由于配方的改进和制造更薄的板横截面的能力，成型周期曾经以分钟计算，现在通常以秒完成。

短切碳纤维也被用作多孔背衬材料，用于PEMFC中的气体扩散层。通过湿法分解短切的PAN基纤维来制备，这些纤维可以大批量、低厚度生产。现代汽车集团（韩国首尔）的新型NEXO燃料电池汽车正在使用SGL Carbon（德国威斯巴登）的SIGRACET气体扩散层。因此，西格里提高了德国梅廷根工厂的SIGRACET产量。

结构和储罐中的复合材料

丰田汽车于2018年3月开始销售其Sora燃料电池公交车，并于2019年8月推出了升级版。根据2020年5月的一份声明，丰田将为奥运会和残奥会提供100辆燃料电池公交车。目前，奥运会和残奥会的时间被重新安排到2021年夏季。Teijin Carbon(东京，日本)宣布已为Sora开发了一种多材料屋顶覆盖物，包括碳纤维复合材料、铝和工程塑料。该零件被制成一件形状复杂的零件，适合批量生产。

Skai eVTO.

图片来源：Alaka’i Technologies

氢燃料电池正在被开发用于飞机行业，其原型由Alaka'i Technologies（美国马萨诸塞州霍普金顿）和ZeroAvia（美国加利福尼亚州）于2019年推出。由Alaka'i开发的Skai具有碳纤维复合材料机身和降落橇，据说是首款完全由氢燃料电池驱动的eVTOL。

与此同时，ZeroAvia正在驾驶一架配备碳纤维复合氢气罐的Piper Malibu改装飞机，并将很快开始飞行测试一架类似改装的双涡轮螺旋桨19座多尼尔飞机，按照路线图228度飞行，以证明到2023年一架20座的H2动力飞机的飞行里程能够达到500英里。

环球氢燃料公司(Universal Hydrogen, Los Angeles, Calif.， U.S.)是一家初创公司，其目标是通过提供必要的燃料模块和加油基础设施，使氢动力航空成为可能。该公司开发的第一个模块是50座的Dash 8和ATR涡轮螺旋桨支线飞机。他们的特点是7英尺长，3英尺直径的罐，以容纳850 bar的H2气体。储罐由一层不渗透的聚合物衬里包裹着干燥的碳纤维编织层和芳纶纤维保护外层。每个模块均在轻型，结构优化的复合框架内包含两个这样的储罐，这些储罐还具有抗冲击性和一定的承重能力。“不需要树脂，”环球氢气首席技术官J.P. Clarke解释说。“内衬解决了渗透性，而碳处理箍和轴向载荷和外层加框架防止损坏；从而减轻了重量和厚度。”

照片来源：Universal Hydrogen

Universal Hydrogen的双储罐模块使用干燥的碳纤维编织包裹压力容器在850 bar下存储H2气体。

燃料电池和氢动力也被开发用于快速渡船和火车。根据2020年9月的一份声明，ResearchAndMarkets.com估计混合动力电动列车(电柴油、电池、氢、压缩天然气等)的市场到2020年将达到4904辆，年复合增长率为5.5%，到2030年将达到8389辆。在2019年的一份报告中，Ballard燃料电池系统公司(Bend, Ore.， U.S.)指出，燃料电池列车将在向零排放经济转型的过程中发挥关键作用，到2030年，燃料电池列车将取代目前30%的柴油列车，并构成欧洲20%的新铁路车辆。最大的市场将是多单元列车，如通勤列车和市内客运列车，以及轻轨和有轨电车。燃料电池氢装置已显示出与柴油装置相似的性能，并且成本相似，同时无需昂贵的架空线路设备。这些列车通常由一个电动马达、至少一个燃料电池、4-5个储氢罐和一个能量储存系统(如电池)驱动。目前在德国、荷兰、奥地利、中国、日本、韩国和英国都有氢动力列车项目。

图片来源：FuelCellsWorks.com

现代Rotem公司开发了一款氢动力电车，充一次氢就能行驶200公里，使用燃料电池、电池和五个储氢罐，这些储氢罐通常是由碳纤维复合材料制成的IV型压力容器。

电池箱

即使在氢燃料电池获得发展势头的同时，汽车工业仍在继续把更多鸡蛋放在电池动力篮子里。复合材料有助于通过轻型电池外壳抵消电池的重量。

其中一个例子是TRB轻量化结构公司(Huntingdon, U.K.)为一组电动公交车开发的碳纤维增强塑料外壳。每辆巴士最多6个74千瓦(KW)的电池，每个重550公斤，包括电池外壳。然而，为了满足整体重量要求，外壳只需要15公斤——与之前的铝制版本的64公斤相比，大大减少了重量。为了满足其他要求，包括在美国制造和每年生产40,000台，  TRB在美国肯塔基州里士满建造了专门的制造工厂， 与丰田通商美国公司（美国纽约，纽约）合资成立。在这里，这个2米乘1米的电池箱是用大面积碳纤维织物制成的，内部用2分钟固化的环氧树脂进行预浸。预浸料立即被自动取放机器人切割并放入匹配的金属工具中，进行快速压弯(FPC)处理，周期为11分钟。然后，该零件将由机器人进行机械加工和组装，包括修整，嵌件的粘接和垫圈的放置。该设计还包括在底盖中的其他层，用于隔热和电气绝缘以及EMI屏蔽。该TRB预计将于2021年全面生产，TRB正在与其他潜在客户讨论更多的中高产量外壳生产。

TRB轻型结构的CFRP电池外壳

图片来源：TRB集团

SGL Carbon公司(德国威斯巴登)也将于2021年开始为一家北美汽车制造商生产碳和玻璃纤维复合材料电池外壳的顶层和底层。大批量应用是电动汽车底盘的关键部分，满足严格的要求，重量，刚度，冲击保护，热管理，防火，水和气体的不透气性。去年，中国汽车制造商蔚来宣布成功生产复合电池壳原型。SGL Carbon报告称，这家制造商的订单数量可能会更大。与此同时，该公司与一家欧洲跑车制造商签订了一份规模较小的合同，计划于2020年年中开始批量生产复合材料外壳底层。

另一家向电池箱供应材料的公司是SHD Composites (Sleaford, Lincolnshire, U.K.)，该公司的预浸料使用了符合酚醛性能的生物基聚糠醇(PFA)热固性树脂。其PS200半固化片符合消防要求飞机电池由欧洲航空安全局(EASA认证)，并已经在使用通用航空飞机的制造商，在模拟电池起火测试显示一个内部温度达到1100°C，而从未超过250°C和电池箱外从不焚烧或分解。Composites Evolution (Chesterfield, U.K.)还提供用亚麻、玻璃、芳纶、玄武岩或碳纤维增强的PFA预浸料，并通过了飞机和铁路的火焰、烟雾和毒性(FST)测试。 

帝人集团公司Continental结构塑料公司(CPS, Auburn Hills, Mich)表示，该公司还开发了SMC材料，这些材料具有许多独特的防火性能，包括减少或消除热失控的能力，以及自动灭火的能力。自2012年以来，该公司一直在与通用汽车(GM，底特律，密歇根州)合作生产电动汽车电池外壳。

如今，CSP正在美国和中国开发和生产34个电池箱盖。

与此同时，IDI Composites International (Noblesville, Ind.， USA)推出了Flamevex，一种专为电动汽车(EV)和新能源汽车(NEV)市场制造电池外壳系统而设计的新型纤维增强树脂系列产品。

采用Flamevex制造的IDI复合国际电动汽车电池外壳

图片来源:IDI Composites International

威廉姆斯高级工程公司（英国牛津郡格罗夫）在其轻便且可扩展的FW-EVX车辆平台上展示了结构CFRP电池盒外壳。38个电池模块位于汽车的铝质和CFRP单壳内，每个模块136毫米宽，内部装有10个袋式锂离子电池。38个电池模块盒中的每一个均使用平坦的CFRP薄板和高度自动化的正在申请专利的223工艺制成。盒子表面的薄片部分已固化，在它们之间留有未固化的柔性铰链。这些允许将部分固化的片材折叠成盒子，然后进行最终固化和粘合以产生坚固的外壳。每个盒子都是耐冲击、承重的外骨骼，有助于防撞安全。盒子被放置并固定在一起，以通过硬壳提供显著的扭转和弯曲刚度，这使设计人员可以减轻其他结构的重量，从而提高车辆的燃油经济性和性能。

Williams FW-EVX具有CFRP电池模块组，该模块组采用223折弯成型工艺制成。

图片来源：Williams Advanced Engineering

图片来源：ieafuelcell.com

2019年国际能源署高级燃料电池(AFC)技术合作计划(TCP)关于燃料电池汽车、氢燃料加气站和目标的调查。

韩国在2019年宣布的《氢经济路线图》目标包括：到2022年拥有81000辆氢燃料电池汽车（FCV），310个加氢站（HRS）和1.5吉瓦（GW）固定燃料电池发电厂。韩国的2040年目标是620万FCV，包括40000辆燃料电池公共汽车（FCB）和30000辆HFC卡车，以及1200辆HRS和15GW的氢燃料电池（HFC）发电厂。迄今为止，韩国已售出7000辆FCV，燃料电池出租车和公共汽车（FCB）已投入运营，到2022年初将部署10吨卡车。

日本是全球领先的氢燃料电池（HFC或FCH）生产国，2019年出货的70000台中有45000台运往日本家庭供暖。在汽车方面，它拥有3521辆FCV和22辆FCB，而丰田计划到2021年将其年FCV产量增加到30000辆。日本政府的目标是到2030年售出80万辆FCV。

美国拥有世界上最大的FCV机队，到2020年10月，总共有8654辆FCV和48辆FCB，由42个HRS提供服务。截至2019年4月，还有30000多台HFC叉车被亚马逊和沃尔玛等公司使用。加州燃料电池合作伙伴计划（California Fuel Cell Partnership）宣布了到2030年实现1000 HRS和100万FCV的目标。

中国是最大的汽车市场，每年售出2800万辆汽车。根据荷兰创新网络中国公司（Holland Innovation Network China） 2019年的一份报告，2017-2019年在中国销售了3000辆FCV(全部为商用车)，而上述2020年6月的报告中提到的中国库存为4300辆FCB和1800多辆FCH轻型卡车。2016年发布的中国氢燃料电池汽车技术路线图中列出的目标包括：到2020年实现5000辆FCV(60%的商用车类似公交车)和100 HRS。到2025年，中国希望拥有5万辆FCV(80%的乘用车)和300 HRS。到2030年，中国需要100万辆FCV和1000 HRS。

荷兰公布的气候协议目标包括：到2025年达到15000辆FCV，50辆HRS和3000辆HFC重型卡车，到2030年达到300000辆FCV。

法国在2019年设定的目标包括：到2023年达到5000辆FCV，200辆HFC卡车和100辆HRS。到2028年，它希望获得20000~50000辆FCV，800~2000辆HFC卡车和400~1000辆HRS。

2020年9月，出席第二届氢能部长级会议的35个国家和国际机构同意了《全球行动议程》的目标，其中的目标包括：到2030年实现1000万辆FCV和10000 HRS，以鼓励在交通中使用氢和燃料电池。