帝斯曼工程材料

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提升氢燃料汽车输出效率及系统可靠性的材料方案

13 四月 2020
  • 于斌帝斯曼高级工程开发经理

  • Tamim Peter Sidiki 博士帝斯曼工程材料电子产品全球营销总监

一直以来,技术的日新月异不断的在改变人们的出行方式,如今汽车行业正在经历一场根本性的变革,尤其是在汽车驱动系统的电动化以及汽车的智能化和互联互通化。权威的市场分析显示,到2025年,驱动系统电动化的车型将占有35%的市场。往往,每当人们谈论汽车电动化,大家首先联想到的是由高压锂离子电池及电机作为能量源驱动的纯电动汽车和具有燃油发动机及高压锂离子电池驱动的混动汽车;汽车工业开发电动车的重要目的之一是,使人们使用汽车的出行方式更加环保,但是,高压锂离子驱动的电动车是否是最佳的环保解决方式?也许不尽然;作为备选方案,汽车的动力来源,完全可以使用燃料电池来替换;与纯电动汽车相比,燃料电池电动车具备一下技术上的优势:

  • 可以与传统燃油车相媲美的燃料加注时间(5 分钟内可完成);
  • 可以与传统燃油车相媲美的行驶里程,相对与纯电动汽车庞大的电池包,其整体质量更轻:
  • 绝对意义上的零排放,并且使用能源为非化石能源;

基于以上的原因,几乎所有的主流汽车厂商及零部件供应商都已经进行了相当大的技术投入及产业规划;目前不管商用车还是乘用车,都已经有商业化的案例,如Nicola truck, Toyota Mirai, Honda Clarity以及中国国内的一些乘用大巴;在各种不同的燃料电池技术路线中,聚合物质子交换性燃料电池尤其受到青睐,原因是其合适的工作温度(大部分的时间内,都工作于 70 到100度),以及其较短的冷启动时间,并且可以完全使用车载氢气与空气中的氧气作为氧化剂反应,产生电能来驱动汽车;燃料电池的最核心部件之一即是燃料电池电堆,电堆可以看作是一个电化学装置,其将氢气和氧气转化为水,热以及电能;

电堆作为整个燃料电池车的心脏,是由数百个独立的燃料电池单元以及各种由金属及热塑性工程塑料制成的零部件组成。一个独立燃料电池单元,如图一,其结构类似于三明治,由双极板,气体扩散层,涂敷了铂催化剂的质子交换膜。在其工作时,在阳极(负极)催化剂氧化氢气原子,使其变为氢质子及电子,氢质子可以有选择的通过质子交换膜到达阴极(正极)与氧气反应,生成水;而电子则从外部电路传递出来,形成电流。其反应的基本机理要求,杂质和从燃料电池构成组件中析出的离子含量都要很低甚至是完全避免,因为杂质和各种离子的析出会使催化剂“中毒”,并且有可能阻塞质子交换膜,这会极大降低的燃料电池的功率输出以及燃料电池寿命,其中,尤其要避免硫/硫酸根等离子。与此同时,燃料电池系统的工况是相对比较恶劣的,其在一个几乎100%湿度,中弱酸(PH 3到5)并且温度大部分时间位于70到100摄氏度(短时最高可达120摄氏度)的环境下工作。所以,为了保证燃料电池系统能最大的输出效率以及最长的使用寿命,用于燃料电池系统的工程塑料必须具有极低的离子析出率,极佳的抗水解老化以及抗化学腐蚀能力。

图一,燃料电池单电芯示意图

帝斯曼的燃料电池专家以及科学家们,针对可能影响燃料电池效率和使用寿命的因素,做出了非常细致深入的研究。在很多可能的工程塑料选择中,由于PPS(聚苯硫醚)的低离子析出性,优异的抗水解和抗化学腐蚀能力,使其与燃料电池的工况要求锲合度最好;DSM的专家们,通过深入的机理研究,针对性的开发了专门用于燃料电池系统的PPS工程塑料-Xytron PPS G4080HR,使其各项性能达到了一个全新的高度!这些性能包括:

  • 行业内最低的材料离子析出,甚至在120度的工况下!
  • 在所有工程塑料中,经过水解老化和化学试剂老化后,DSM开发的PPS 工程塑料保持了最高的机械强度和最低的离子析出率;其机械强度保持率及离子析出率远优于目前所知的其他PPS 和PPA竞品;
  • 行业内竞品中最佳的尺寸稳定性,耐疲劳性,耐蠕变性,甚至在长时间的老化测试后,其竞争优势也同样明显;
  • 最佳的熔接线强度,最大程度上保证了其长期使用安全性;

另外,帝斯曼还在与行业领导者合作,以期进一步的提升燃料电池的能量密度;例如,帝斯曼针对燃料电池汽车的储氢罐,专门开发了以聚酰胺(PA6)吹塑作为内胆,连续碳纤增强复合材料缠绕于外的四型瓶(Type IV);该储氢罐(IV 型瓶)具有极低的氢气渗透率,并能达到苛刻的储氢压力要求(70Mpa),在满足减重的同时,最大程度的保证了安全性;

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