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市场应用·全球燃料电池汽车存量翻番,碳纤维复合材料将大有用途!!

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本文摘要:(由ai生成)

2020年,国外碳纤维产业在氢燃料电池汽车和电动车电池组领域取得显著进展。赫氏、东丽等公司推出新型碳纤维,而三菱化学等加强市场布局。氢燃料电池汽车市场增长迅速,复合材料在关键部件中得到应用。同时,电池动力汽车的发展也推动复合材料在电池外壳中的应用。全球合作推动氢燃料电池汽车及相关基础设施的部署。

来源:compositesworld、化工新型材料

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      

     

     



丰田汽车公于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辆苍井空燃料电池公交车。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,一次充一次氢就能行驶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。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建造的制造工厂, 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,以通过硬壳提供显着的扭转和弯曲刚度,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。

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来源:碳纤维生产技术

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首次发布时间:2024-06-14
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碳纤维生产技术
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本文摘要:(由ai生成)2020年国外碳纤维产业取得显著进展,包括新型碳纤维的推出、成本降低技术的研发、生物基碳纤维的开发、强度增强的生产技术及航空用碳纤维的研发等。此外,还有碳纤维预浸料布局的加强、碳纤维生产的绿色转型、车用复合材料技术研发及碳纤维制造熔炉的收购等,这些进展均有助于推动碳纤维产业的持续发展。碳纤维生产技术总结了2020年度国外碳纤维大事件,以飨读者。本次盘点按时间倒序给出,主要涉及碳纤维生产企业及碳纤维生产制备技术相关事件。如有遗漏,请各界人士补充。美国赫氏推出新品碳纤维HM54 用于高尔夫球杆 美国赫氏新型HexTow®HM54碳纤维是一种连续、高性能、高模量的12K PAN基纤维,该纤维通过表面处理和上浆处理来改善层间剪切特性、工艺性和结构特性。应用于高级体育用品、航空航天和工业应用。HexTow®HM54纤维具有较高的拉伸强度和模量,以及良好的剪切强度,使结构设计师在刚度和强度上都能达到更高的余量。True Temperate Sports是全球知名的高尔夫球杆的主要设计师和制造商,选择与Hexcel合作开发其最新产品线HZRDUS Smoke Black RDX。HZRDUS Smoke Black RDX是首款使用Hexcel新HexTow®HM54碳纤维的高尔夫球杆,并将其与高强度的HexTow®IM2C碳纤维相结合,提供工程师所需的理想刚度和稳定性,以便将其嵌入HZRDUS轴中。美国IACMI合作旨在开发储氢罐用低成本碳纤维 美国先进复合材料制造创新研究所(IACMI,诺克斯维尔,美国田纳西州)获悉,他们将从美国能源部(DOE)获得270万美元,用于开发和验证可降低 制造高性能碳纤维成本的技术,其中 25%用于制造复合天然气或氢燃料罐,以为汽车和卡车提供动力。7月20日,美国能源部(DOE)官宣了这一消息。在IACMI资助的头五年中,美国制造业创新中心将其技术领域的重点放在压缩气体储罐(CGS)上,在材料和工艺创新方面取得了进展,从而使该技术在新的应用中得到更广泛的采用。东丽公司开发高模量碳纤维新品和热塑性成型技术 日本东丽公司官方网站发布其在高模量碳纤维领域的最新研究进展,开发出拉伸强度4.8GPa、拉伸模量390GPa的高模量碳纤维;与东丽2018年推出的M40X型碳纤维相比(拉伸强度5.7GPa、拉伸模量377GPa)相比,该款纤维的力学性能并不出色,但其直径达到7μm,要高于M40X型纤维5μm,具有较显著的成本优势。斯道拉恩索集团与Cordenka合作开发生物基碳纤维材料 受交通、建筑和发电领域对高性能碳纤维材料的需求驱动,斯道拉恩索集团与Cordenka公司于近日签署了联合开发协议,以共同推进生物基碳纤维的前体开发。斯道拉恩索一直致力于以木材为基础材料的碳纤维的技术研发,以溶解浆和木质素等为原材料生产碳纤维,现已具实验室规模。Cordenka是全球领先的高端工业人造丝制造商。此次强强联合,旨在将碳纤维前体开发升级到中试规模。前体开发工作在Cordenka位于德国奥伯恩堡生产基地的专业制造纺纱设备上开展。该项目获得了Cordenka的所有者美丽境界资本(BMC)的支持,是Cordenka进军新兴市场和亚洲市场的战略组成部分。4M碳纤维公司等离子体氧化技术实现强度增加15%,使用台塑的聚丙烯腈前驱体 4M碳纤维公司(美国田纳西州,诺克斯维尔市)3月4日报道,该公司已经完成了一项碳纤维制造示范项目,证明了采用该公司大气等离子体氧化技术生产15%强碳纤维的工艺的可行性,同时将产量提高了两倍。这一结果,比如400万,证明了生产高质量碳纤维的能力,同时将资本和运营成本分摊到生产能力的三倍以上。4M正在探索将这项技术授权给碳纤维生产商的方案。4M的团队与碳纤维制造商台塑公司(中国台湾高雄市,Formosa Plastics Corp. )和能源部的碳纤维技术设施(CFTF)在橡树岭国家实验室(美国田纳西州橡树岭)合作,4M的团队使用4M和ORNL开发的国际专利大气等离子体技术氧化了台塑的聚丙烯腈 (PAN)前驱体。然后将纤维碳化,在CFTF上进行表面处理和上浆。然后使用工业测试方法在CFTF上测试所得的碳纤维。初步试验表明,使用4M氧化技术生产的纤维比通过传统工艺使用台塑前驱体生产的碳纤维具有更高的拉伸性能。西班牙工业部资助Montefibre碳科技公司1150万开发航空碳纤维M700 80K-480K据复合材料世界网站2020年2月18日报道,西班牙Montefibre碳科技公司于2月18日宣布,将投资1620万欧元(1740万美元)在位于西班牙米兰达德埃布罗的工厂生产聚丙烯腈(PAN)前驱体,以将其转化为满足航空质量要求的碳纤维,并建立灵活的碳化生产线。其中1150万欧元将来自西班牙工业部。Montefibre公司透露,新的PAN前驱体纤维的抗拉强度为700 ksi,将以M700的代号销售。这条新的碳化生产线将成为业内最先进的生产线之一,以用作Montefibre碳纤维的研发和验证,并将能够生产丝束范围为80K至480K的纤维,最大产能为每年100吨。三菱化学收购德国碳纤维预浸料生产商c-m-p公司 布局欧洲移动交通市场1月21日,三菱化学宣布将通过旗下德国子公司收购德国碳纤维预浸料制造商c-m-p公司,进一步强化公司碳纤维复合材料业务。收购预计将于2020年2月完成。c-m-p公司拥有单向织物/预浸料的专有生产技术,为包括航空航天、汽车在内的多个终端应用领域提供解决方案。此次收购完成后,三菱化学将在欧、美、日三地拥有自己的预浸料工厂。新购得的c-m-p公司将与新近于意大利Modena设立的SMC模塑料工厂一道,帮助三菱化学扩大碳纤维复合材料的在欧产能,以便在未来的移动交通领域占得先机。卓尔泰克“绿色”碳纤维:可再生能源推动纤维生产在今年年初,Zoltek在匈牙利Nyergesújfalu的工厂开始使用可再生资源发电,为从前体生产到用于在生产碳纤维的过程中碳化前体的烤箱,再到由碳纤维制成的中间产品等提供动力。Zoltek全球汽车总监Tobias Potyra解释说:“从原材料进入我们的工厂到成品碳纤维作为向客户运送的一部分离开的那一刻,绿色电力就一直用于该过程的每一步。”1月28日,帝人集团宣布将于2月成立帝人欧洲汽车中心,作为集团车用复合材料事业新的技术中心,利用自身保有的多材料解决方案,为下一代汽车零部件提供概念、设计、原型设计、测试评估、技术研发和市场服务。工业炉专家Eisenmann Thermal Solutions GmbH&Co. KG(德国博芬登)于1月9日报道说,它已被韩国一家电池行业制造锂离子阴极和阳极材料的熔炉制造商onEJOON Co. Ltd.收购。生产用于制造碳纤维的熔炉的Eisenmann Thermal Solutions是Eisenmann Group的一部分,该组织已于2019年8月申请破产。但是,Eisenmann Thermal Solutions未被视为Eisenmann Group核心业务的一部分,因此破产管理人德国律师事务所Beck&Partner的执行合伙人Joachim Exner被迫为该公司开发单独的投资者解决方案。Eisenmann Thermal Solutions的实际购买者是位于Bovenden的onEJOON Thermal Solutions GmbH。业务转移将于2020年1月15日进行。艾森曼热能解决方案的德国工厂(伯布林根和博文登)及其全部200名员工将被保留。本文由碳纤维生产技术独家整理报道特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。来源:碳纤维生产技术

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