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于斌:高性能工程塑料为汽车电动化“保驾护航”

时间:2021-11-18 21:16:02   标签:天津一汽威姿  

在重载运输中,纯电池驱动系统存在极大的电池重量、续航里程和超长的充电时间等明显缺点。随着容量的增加,电池重量也明显增加,导致每公斤货物的运输成本升高,使得纯电池技术不太适合商务运输业。与其在车辆中装载沉重的电池,不如利用燃料电池直接在车上产生所需能量。制造锂电池的关键原材料锂及钴,有很大的产地集中性,极可能受到地缘政治的影响,但氢气可实现区域内生产,现有加油站也很容易改造成燃料电池的加氢站。

在大型商用车、重卡、远洋货轮等领域的电动化过程中,将三元锂电、磷酸铁锂或其他电池形式与燃料电池系统作对比:锂电系统能量密度平均在160到240wh/kg,8级重卡跑600公里,需要装载1200到1300千瓦时的电池,如此大的电池包,其重量平均值为7~7.5吨;而燃料电池系统的整体重量会轻很多,如配置双电堆和双电机的系统,总重量大约在1.5吨左右,这是燃料电池的重量优势。另外一个优势,重卡电池包体积和电量都很大,即使在双枪快充(250KW以上)的模式下,也需要数小时才能充满,对于重载运输,充电时间是个很大的问题。而燃料电池加氢时间,和传统柴油车差不多,十分钟左右可以完成。这是燃料电池的时间成本优势。

与纯电池技术相比,燃料电池具有以下优势:氢气加注时间和续航里程与内燃机相当(在一定输入功率下,燃料电池的续航能力是柴油或汽油发动机的2.3倍),没有沉重的额外电池负荷,性能表现受天气影响极小。除此之外,水是氢燃料电池系统的唯一副产物,对碳中和社会的构建有积极意义。氢能是一个理论上可以实现全产业链绿色的能源形式,所以目前国家对燃料电池车越来越重视,中石化、中石油等传统燃油巨头,以及各大重载运输车辆生产商,也是基于这个原因,大力推动燃料电池产业化。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)受到欢迎

在燃料电池技术中,质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 越来越受欢迎。它在效率和排放之间取得了良好的平衡:工作温度低、启动时间短,并且可使用纯氢作为燃料和普通环境空气作为氧化剂。

回到材料本身,大部分的燃料电池着重在氢燃料电池。于斌表示,帝斯曼区别于其他材料公司一个重要的特点是:在材料开发的过程中,帝斯曼的出发点是深入研究整个系统的机理、工况、运行模式,以及在制造和生产中的问题,并从这些深入的研究中,抽取出材料上需要做什么改进,以最大程度上保证系统的长期寿命和效率。概括性来说,燃料电池大部分在70~90摄氏度工况工作,100%湿度、弱酸性环境,对材料的长期水解,离子析出率有很高的要求。另外,对材料纯净度的定义并不是在空气中,而是考量在燃料电池工况中,材料是否会有其他物质析出;商用车、重卡,工作时长15,000小时起,对材料长期工况下的抗水解性、老化后疲劳性、耐蠕变性,材料的纯净度,是否会析出离子,什么样的离子,离子对催化剂、对气体扩散层、对质子交换膜有什么样的影响,帝斯曼都有全工况测试数据和计算模型,这些数据和模型可以帮助客户缩短产品开发周期,并且做到“一次就对”!

从可靠性角度,特别是在抗离子浸出、耐水解以及相应的长期机械性能方面,目前所使用的材料仍多有不足,而其中一种解决方法是开发专门的PPS化合物,以生产高效可靠的电池。帝斯曼专门针对燃料电池的特点,开发了全系列的材料,这些材料具有业内最低的离子析出率,最高的耐水解性和长期水解后的抗蠕变性,远远高于PPA、PA66等工程塑料。

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