用碳纤维制成的电动汽车电池外壳

电动汽车电池外壳采用碳纤维。图片来源:SGL Carbon。

氢气燃料电池市场已与Covid-19大流行 - 多个政府增加了资金,作为区域经济体的恢复举措和新绿色交易,以减少全球CO的一部分2排放。这项资金刺激了数百项研究项目和实施计划,涉及广泛的交通和固定应用,包括热电联产(CHP)。

氢燃料电池表(FCH)部署计划

图26。参与地区(46个受访者)的FCH应用总体部署计划“欧洲城市和地区绿色能量的燃料电池和氢气”由Roland Berger(2018年9月),由175年的利益攸关方赞助燃料电池与氢气联合事业(朱福全)。图片来源:罗兰·伯杰为FCH JU拍摄

根据一项2020年6月国际能源机构的分析在国际能源署(IEA)的报告中,氢在交通运输中的使用比以往任何时候都增长得更快,但仍仅占新型低碳汽车销量的0.5%。然而,全球燃料电池汽车(FCV)库存在2019年几乎翻了一番,达到25210辆,同时新车也在销售多于翻倍:从2018年的5800人增加到12350人。

虽然美国的FCV销售额从2018年的2,300次下降至2019年的2,100,但仍然是FCV股票的世界领导者,每三个单位大概是一个。与此同时,Japan’s new FCV sales rose from 600 in 2018 to 700 in 2019, while new sales in China and Korea grew from a few units in 2017 to 4,400 and 4,100, respectively, in 2019. This growth in FCV is projected to increase, thanks to ambitious short- and long-term goals led by the leaders below.

非运输部门也有机会,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电网转换为H2由于其在英格兰H21项目北部,由于2028年开始。住宅和商业加热和冷却占欧洲最终能源需求的约40%。

燃料电池中的复合材料

质子交换膜燃料电池用双极板

双极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,但诸如巴拉德燃料电池系统(弯曲,或。(美国)偏爱复合材料,因为它们能以更低的成本提供卓越的耐用性。图片来源:巴拉德

燃料电池组件

(a)聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和(B)示意图的典型膜电极组件(MEA)的主要组分。来源|图1来自“壳聚糖基聚合物质子交换膜及壳聚糖负载离子液体的研究进展.照片信用:燃料电池研究所,克班省马来西亚大学

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、端板等系统部件。在过去,热固性材料被认为局限于低体积和固定应用,因为它们的模具周期更长,更高的废品率和不能生产模铸复合板像冲压金属板一样薄。然而,最近这些问题已经被克服,在功率密度是次要要求的高温和低温PEMFCs中,复合材料比金属具有明显的优势。

切碎的碳纤维和石墨填充/乙烯基酯散装成型化合物(BMCs)在双极板上寻找宽的低温PEMFC。随着卷增加,BMC成本显着下降。类似地,由于配方改进和制造较薄板横截面的能力,现在在几分钟内测量成型循环一次以分钟计量。

切碎的碳纤维还可以用作PEMFC中的气体扩散层的多孔纸背衬材料。通过湿铺切碎的泛底纤维制备,这些纤维可以高容量和低厚度制造。西格里碳素集团现代汽车集团(首尔,韩国)新的(德国威斯巴登,德国)Sigracet气体扩散层是使用的NEXO燃料电池汽车。因此,SGL在德国梅廷根工厂增加了SIGRACET的产量。

复合材料在结构和坦克

丰田汽车公司(东京,日本)开始销售其索拉燃料电池总线于2018年3月,并于2019年8月推出更新版本。根据2020年5月公告,丰田将供应100索拉奥运会和残奥会的燃料电池公交车,现在重新安排了2021年夏季。帝人碳(东京,日本)宣布推出了一个多重材料屋顶封面索拉,由碳纤维复合材料、铝和工程塑料组成。该零件为整件制造,形状复杂,适合批量生产。

Skai eVTOL

Skai evto。照片信用:Alaka'i Technologies

氢动力燃料电池也正在为飞机开发,Alaka 'i Technologies公司于2019年推出了原型机。ZeroAvia (Hollister,美国加州)。斯凯,由阿拉卡发明,采用碳纤维复合机构和着陆滑动,并据说是氢燃料电池完全动力的第一eVTOL。

同时,零维亚使用碳纤维复合氢气罐飞行吹笛者马里布改装,并将很快开始试验类似改进的双涡轮手机,19座多尼尔公司228个席位的H2到2023年,其飞行距离将达到500英里。

通用氢提出的双罐模块,用于加油42和Dash8空气

环球氢气公司的双罐模块使用干碳纤维编织包裹的压力容器来储存氢气2汽油温度850巴。照片学分:通用氢气

通用氢气(洛杉矶,加利福尼亚州,美国)是通过提供必要的燃料模块和加油基础设施来成为氢气动力航空的启动器的初创公司。它开发的第一个模块适用于50座位短跑8和ATR涡轮螺旋桨支线飞机。他们的特点是7英尺长,3英尺直径的坦克容纳H2汽油温度850巴。储罐由一层不透水的聚合物内衬包裹着干碳纤维编织层和一层芳纶纤维保护层组成。每个模块包含两个这样的油箱在一个轻量级的,结构优化的复合框架,也提供抗冲击和一些承重能力。“不需要树脂,”Universal Hydrogen的首席技术官J.P. Clarke解释道。“衬管解决了渗透率问题,碳处理箍和轴向载荷,外层和框架防止损坏;这样重量和厚度就减少了。”

现代轮廓氢电车图

现代Rotem开发了一种氢电车,可以使用燃料电池,电池和五个氢储罐在一团氢气上行驶200公里,通常是由碳纤维复合材料制成的IV型压力容器。照片来源:futcellsworks.com.

燃料电池和氢动力也被开发用于快速渡轮和火车。根据一项2020年9月宣布据ResearchAndMarkets.com估计,到2020年,混合动力列车(电柴油、电池、氢、压缩天然气等)市场将达到4904辆,以5.5%的复合年增长率增长,到2030年将达到8389辆。在一个2019年的报告巴拉德燃料电池系统公司(Ballard Fuel Cell Systems)表示,燃料电池列车将在向零排放经济转型中发挥关键作用,到2030年,燃料电池列车将取代目前30%的柴油列车,并将占欧洲新轨道车辆的20%。最大的市场将是多组列车,如用于通勤和市内客运轨道的列车,以及轻轨和有轨电车。燃料电池氢单元的性能与柴油单元相当,且成本相近,同时无需昂贵的架空线路设备。这些列车通常由电动机、至少一个燃料电池、4-5个储氢罐和电池等储能系统提供动力。目前,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

电池盒

即使氢燃料电池增益势头,汽车行业也在继续将更多的鸡蛋放入电池电源篮中。复合材料有助于通过轻质电池外壳抵消电池的重量。

CFRP电池外壳由TRB轻量化结构

CFRP电池外壳由TRB轻量化结构。照片来源:TRB集团

一个例子是CFRP外壳由TRB轻质结构开发(英国亨廷顿)。每辆公交车配备多达6节74千瓦(KW)电池,包括电池外壳,每节电池重550公斤。然而,为了满足总体重量要求,外壳只需15公斤——与之前的铝制版本的64公斤相比,这是一个显著的减少。为了满足额外的需求,包括在美国的生产和40,000台/年的产量,TRB在肯塔基州的里士满建造了一个专门的制造工厂。,美国,在与丰田通商美国(纽约,纽约,美国)的合资企业。在这里,2米× 1米的电池盒是由高面积重量的碳纤维织物制成的,内部预先浸有2分钟固化的环氧树脂。预浸料立即被自动拾取和放置机器人切割并放入匹配的金属工具中,进行快速压制固化(FPC)处理,周期时间为11分钟。然后,该部件被机器人加工和组装,包括修剪、镶件粘接和垫片放置。该设计还包括在底盖上额外的层,用于热绝缘和电绝缘以及EMI屏蔽。全面生产预计将在2021年,TRB正在与其他潜在客户讨论更多的中、大批量围护结构生产。

西格里碳素集团(Wiesbaden,德国)还将开始生产2021个碳和玻璃纤维复合顶层和底层电池外壳的北美汽车制造商。大批量应用是电动汽车底盘的关键部分,满足重量,刚度,冲击保护,热管理,防火和水和防水性不均匀的严格要求。本合同遵循成功为中国汽车制造商蔚来汽车生产复合电池盒原型去年宣布的。SGL Carbon报告说,该制造商可能会有更多订单,数量甚至更大。同时,该公司与一家欧洲跑车制造商签订了一份批量较小的合同,用于复合材料外壳底层的批量生产,该合同计划于2020年中期开始。

另一个供应电池盒的公司是SHD复合材料(SaaFrand,林肯,英国),其预浸料使用生物基聚糠醇(PFA)热固性树脂,满足酚醛树脂性能。其PS200预浸料符合欧洲航空安全局(EASA)规定的飞机电池防火要求,并已在通用航空飞机制造商中使用,模拟电池着火测试显示内部温度为1100°C,而外部温度从未超过250℃,电池盒也从未燃烧或分解。复合材料发展(切斯特菲尔德,英国)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。

帝人集团公司大陆结构塑料(CPS,AUBURN HILLS,MICH。,美国)表示,它还开发了SMC材料,提供了许多独特的防火能力,包括减少或消除热失控的能力,以及自我熄灭的能力。该公司自2012年以来一直在制造EV电池外壳,与通用汽车(GM,底特律,MICH。,美国)一起工作。在雪佛兰火花计划上。

使用FLAMEVEX制造的IDI复合材料国际电动汽车电池外壳

IDI Composites国际EV电池外壳采用Flamevex制造。照片信用:IDI复合材料国际

今天,CSP正在开发和生产34个电池盒中的U.S.和中国

与此同时,伊迪国际复合材料(美国印第安纳州的诺布尔斯维尔)火焰凸是专门为电动汽车(EV)和新能源汽车(NEV)市场制造电池外壳系统的新型纤维增强剂和树脂系列。

威廉姆斯FW-EVX电动汽车底盘用碳纤维增强塑料电池模块

Williams FW-EVX采用223折成型工艺制成的CFRP电池模块盒。图片来源:威廉姆斯先进工程公司

威廉姆斯先进工程公司(Williams Advanced Engineering)展示了其轻量级、可扩展的FW-EVX汽车平台结构的CFRP电池盒外壳。位于汽车的铝制内,CFRP单胶片是38个电池模块,每个136毫米宽,内部有10个袋型锂离子电池。38个电池模块盒中的每一个都是使用平面CFRP板和高自动化的专利申请223工艺制造的。箱面的纸张的部分被固化,留下柔性未固化的铰链。这些允许将部分固化的片材折叠成盒子,然后进行最终固化并粘合以产生刚性外壳。每个盒都是抗冲击承载的外骨骼,引起碰撞安全性。盒子定位并固定在一起,以通过单胶片式提供显着的扭转和弯曲刚度,使设计人员能够减轻其他结构,增加车辆的燃料经济性和性能。

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