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关注ℱ丰田燃料电池未来白菜价儿?

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本文摘要:(由ai生成)

丰田燃料电池项目核心人物之一的广濑胜彦教授认为,氢燃料电池汽车最终将比汽油车便宜,实现零排放交通。他指出,现有的氢气大多通过天然气或煤制取,而非电解水,因此能量损失远低于电力生产过程。丰田计划到2025年将燃料电池汽车价格降至与混合动力汽车相同水平,甚至更低。


4G光元:几十年来,氢燃料电池一直被人们所忽略,但是,它们己经悄悄进入了自己的角色,渐入佳境。丰田要告诉我们燃料电池可以实现卡罗拉成本,也就是中国人常说的白菜价。


一直以来宣传燃料电池,建议电动汽车用其他方式供电,是会遭到谴责的。提到燃料电池,你会迅速被认为是白 痴,大石油的代言人,甚至更糟糕。特斯拉的埃隆马斯克经常对燃料电池肆无忌惮妄加指责,嘲讽之为“令人难以置信的愚蠢”,和“傻瓜细胞” ,与电池路线支持者摇旗呐喊产生共鸣。

新能源圣战的另外一侧表现则比较安静,为了了解燃料电池如何成为白菜价,我坐在东京品川站的一家咖啡店,专门采访了丰田燃料电池项目的核心人物之一,广濑胜彦(Katsuhiko Hirose)教授,他一直负责丰田的燃料电池系统开发,他告诉我为什么马斯克理如此害怕燃料电池:氢燃料电池汽车终将比汽油动力汽车便宜,在世界各地为零排放运输敞开大门,而不仅仅是在能够负担依赖稀缺的自然资源和政府支持的电动汽车的富裕地区。


现在加氢站太少,而且这种稀缺性让燃料电池汽车未来持怀疑态度者的大放厥词。一位年轻的物理学家Hirose,他在核聚变工程中曾开发了早期的数字引擎控制器单元。后来这变成了一个管理燃油经济性和排放的任务,这个控制器可以说是天上掉下了一个大馅饼,成就了混合动力的丰田普锐斯。

当丰田开始研究氢燃料电池时,Hirose加入了团队。Hirose还清楚的记得,作为一名科学家,他明确指出氢气是一种需要能量产生的能量。同时当时他质疑氢气从哪里来,以及储存在什么地方。因为,当时並没有合适安全的大型存储系统。

那时是2003年,Hirose的老板Mitsuhisa Kato告诉他“现在是加入敌对阵营的时候了”,从混合动力转向氢气研究。Hirose被任命为丰田燃料电池系统开发总经理,他不得不努力消除自己的疑虑。当然,他並不是唯一的怀疑者。

三年后,在2006年,德国科学家Ulf Bossel撰写了一篇论文,基本上声称用电制氢是浪费能源。博塞尔认为,将相同数量的能量存储在电池中,而不是将其转化为氢气以便存储和以后使用会更有效。相信几十年后,电池行业的极端者仍然将把这一理论视为宝典。 直到今天,博塞尔的电熨斗理论仍然是纯电池原理的思想基础。

Hirose认为这位核物理学家,波塞尔在他的分析中犯了一个根本性的错误。博塞尔假设氢气将使用现有电力产生。“如果起点是电力已经在那里,如果你用现有的电力用电解水制氢,那么是的,你会失去30%的能量,”Hirose提醒说。“但是人们忘记了,当用天然气或煤炭制造电力时,60%到70%的能量都会损失掉。如果直接从天然气甚至煤中产生氢气,它们将不会损失60%或70%的能量。这一切都取决于你从哪里开始。“


今天的大部分氢不是通过电解水制成的,而是通过重整天然气,甚至是煤。奇怪的是,博塞尔并没有像他自己承认的那样“考虑这个选择,因为氢气完全可以以相对较低的成本进行化学合成。”

反燃料电池技术的另一个支柱是 “当储存液态氢时,出于安全原因必须允许一些气体蒸发,这意味着在两周后,即使没有被驱动使用,汽车也会失去一半的燃料。 “难怪如果我们让一半的氢气在还没有为车辆提供动力之前蒸发消失了。这里有点牛头不对马嘴,我们讨论的是氢气,而博塞尔谈论的是液氢。

汽车制造商早就放弃了,在乘用车上使用液氢的想法,因为如此之小的储氢罐无法保持液氢在-253°C以下,其中一半的确可能在两周内蒸发。燃料电池汽车中使用的氢气是加压的,而不是液体,它不会逸出。然而,如果氢气想从现在的储氢罐中逃脱可能至少需要13年时间。

另一方面,大规模储存氢采用液态储氢确实是非常实用的,当我喝第二杯咖啡时,我从丰田专家那里学到了这一点:在日本的种子岛空间站,足够的液态氢为多个火箭发射提供动力储存数月,蒸发量小于1%。即便是少量的增发也可以不浪费用于发电或其他应用。

电池的重量一直是电池无法逃避的短板。重量是里程的大敌,通过增加电池来提高续航,让越来越多的能量被电池重量所抵消和浪费。电动重型卡车的失败尝试就充分的证明了这一点。

40吨电池动力卡车,500公里续航需要8吨电池。这个数字确实有点荒谬,你想要运输是货物,而不是一个巨大的电池。而燃料电池组却更轻,更易于操作。氢燃料电池动力传动系统的重量可与柴油发动机相媲美,丰田的专家告诉我,可以更轻。单位重量氢气的能量是柴油燃料的三倍。
自Ulf Bossel写论文以来,时代和技术发生了变化,他自己早已不做纯粹的电池信仰的传教士。Ulf Bossel现在是瑞士Almus AG的所有者,该公司出售UBOCELL,一种将燃料转化为电能的小型SOFC燃料电池。

到目前为止,燃料电池对电池阵营的最大威胁一直保持不变 - 当我要了今天早晨的第三杯咖啡时,有兴趣的话题出现了,燃料电池车将很快比丰田自己的混合动力汽车便宜,而且有一天它们可能比普通汽车便宜。虽然我们提及燃料电池汽车非常昂贵,因为它们使用了大量的铂金?


Hirose说:“当第一批燃料电池车耗资一百万美元时,我们就使用了100克铂金。你要花3000美元购买。现在我们用量......“他停顿了一下。“已经很少了,甚至可以不使用。”随着铂在丰田的燃料电池组的影响不断减少,最后,Hirose透露它现在的用量与柴油车催化转换器的铂金相当,MIRAI大约使用10克白金。

虽然事实并非如此,人们仍然习惯认为燃料电池使用了大量昂贵的贵金属。“Hirose说。“燃料电池堆中最昂贵的东西是0.01毫米的薄膜。电堆的其余部分非常便宜。实际上,燃料电池最昂贵的部分就是工艺,它是单一零件重复堆叠的制造,成本并不进入它的材料。“

这使得燃料电池相对于电池具有巨大的成本优势。70%的电池成本是在原材料中,原材料的价格通常不会随着需求的增加而迅速下降。电池也没有逃脱政治的捆绑。电池的一个关键成分是钴(Cobalt),世界上66%的供应来自刚果民主共和国,该地区人权状况欠佳。原始设备制造商急于获得供应,钴的价格一路飙升。相比之下,锂电池相对充足,但“作为全球争夺的活动的狂热爆发,以提取金属和确保锂离子电池的供应。”,只要世界上有水(H2O,氢的两个氢原子),就有取之不尽的氢气。


由于70%的电池成本与原材料相关,因此成本优化必须集中在剩余的30%,并且“电池产能已经足够大了,但是电池成本並没有下降很多?“由于产能过剩,电池成本大幅下降,”Hirose说。“电池是一种商品,如果有人以低于10%的价格出售它们,他们就能获得销售,而且这样做的结果销售价格会越来越低。世界各地建造的巨大电池厂需要巨大的前期投资,技术进步几乎没有时间来收回CAPEX。丰田公司的电池合作伙伴松下写道“两年内亏损70亿美元,主要是因为过时的电池厂的拖累,
全球又有多少电池厂没有被套上了这个紧箍咒呢?

松下制造的电池由特斯拉转而成为内华达Gigafactory的电池模块。松下公司总裁Kazuhiro Tsuga最近告诉彭博社,松下“与特斯拉仍在亏钱” ,只能称之为有望改变。与此同时,松下为特斯拉制造的18650和2170电池已经过时,当丰田和松下宣布联盟首先制造棱柱形电池,然后固态时,Tsuga公开希望技术不会进展太快,如果我们突然转向固态电池,我们现在的投资就又要被打水漂了。

与电池相比,燃料电池仍处于规模的早期阶段,丰田6万美元的Mirai燃料电池汽车只生产了约3,000辆,但它“正在建造一座新工厂,到2020年将产量提高到每年30,000辆”。最重要的是,丰田将其燃料电池技术应用于卡车,公共汽车以及非机动性之外的许多应用,规模的扩大,已经使丰田拥有世界上成本最低的燃料电池了。


到2025年,丰田计划将燃料电池汽车的价格与现在混合动力汽车的水平相当,但“就个人而言,Hirose对这个目标并不十分满意。“为了进入替代燃料世界,我们需要提供比传统汽车更便宜的燃料电池。这是我个人的目标。我认为可以做到。

这个目标听起来有点高不可攀,但根据行业标准燃料电池行业评论的共同作者,燃料电池工程师Matthew Klippenstein说法,丰田对燃料电池成本的乐观情绪在行业中悄然分享和走俏,即使是电池永远是新能源统的头条新闻。随着燃料电池的生产规模扩大,其成本将直线下降。

Hirose认为燃料电池汽车的成本会低于卡罗拉,这取决于我们对真正可持续交通的认真程度和决心。丰田但努力微不足道,需要全社会的参与,那就完全有可能。Hirose现年63岁,他相信他的有生之年能看到它实现的那一天。


关于电池和燃料电池堆之间细微差别的争论还没有结束,只要工厂必须摊销,它就会肆虐,只要有政府资金,没有人愿意与另一个阵营分享。虽然电池电量成为所有头条新闻,但全球对氢的支持正在增长。在达沃斯举行的2017年世界经济论坛期间,成立了一个氢能委员会,其中包括53家能源,运输和工业公司,Hirose作为丰田在论坛的发言人。到2025年,中国宣布了350个加氢站的计划。到那时,德国希望拥有400个加氢站。日本将世界第三大经济体重新投入燃料电池,并宣布在2030年到2050年之间计划将该岛国变为“氢社会” 。日本首都东京都希望氢气更加普遍,并计划到2020年奥运会实现氢气社会。

广濑是一个直言不讳的人,他并不像他承认的那样“喜欢氢社会这个词”。“氢社会意味着我们完全豪赌氢能源。相反,我们应该为可持续发展的社会提供一系列解决方案。当然,政府可以激励,但从长远来看,我们需要提供客户喜欢选择的东西。这与电池与燃料电池无关。它涉及可持续,运输和客户的选择。“

“建设一个可持续发展的社会是一项繁重的工作,”Hirose在收集他的东西以便将他的新干线赶回名古屋时说道,“但如果我们推迟就全球变暖等问题作出决定,我们就可能偷拿走了我们后代的未来。


Exclusive: Toyota Hydrogen Boss Explains How Fuel Cells Can Achieve Corolla Costs
Hydrogen fuel cells have been written off for decades, but Toyota's Katsuhiko Hirose says they area just coming into their own.
BY BERTEL SCHMITT
JANUARY 18, 2019
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BERTEL SCHMITT
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If you want to bring the wrath of Twitter upon you, suggest that electric vehicles could be powered by something other than batteries. Only the utterly naïve seem to think that any technology bringing zero emission transportation should be worth the consideration. Mention fuel cells, and you will swiftly be denounced as an idiot, an agent of Big Oil, or worse. Tesla’s Elon Musk routinely piles invective on fuel cells, calling them "mind-bogglingly stupid," "incredibly dumb" and "fool cells”—schoolyard taunts that resonate especially well with battery-bullies.


The other side of the holy war for the most part quietly turns the other cheek. Well, until this morning, as I sit down in a coffee shop in Tokyo’s Shinagawa Station for an exclusive interview with one of the central figures of Toyota’s fuel cell project. Professor Katsuhiko Hirose has been in charge of Toyota’s Fuel Cell system development, and he tells me why Musk is rightfully afraid of the fuel cell: Hydrogen Fuel cell vehicles will eventually be cheaper than gasoline-powered cars, opening the door to zero-emission transportation around the world, and not just in rich pockets that can afford battery-electric vehicles that are dependent on scarce natural resources and government support.

Hydrogen fuel stations are few and far between, and this scarcity opens the door for skepticism of the future of fuel cell cars. Hirose was a young physicist who had traded nuclear fusion for an engineering job at Toyota, where he developed early digital engine controller units. This turned into an assignment of managing fuel economy and emissions for a pie-in-the-sky project that became the hybrid Toyota Prius. When a skunkworks team at Toyota started looking into hydrogen fuel cells, Hirose joined the ranks of people pooh-pooing the project. “I am a scientist, and I pointed out that hydrogen was an energy that needed energy to be produced. I questioned where the hydrogen would come from, and where it would be stored. There were no proper and safe large-scale storage systems at the time,” Hirose remembered. “Ironically, I later I became the person to develop advanced hydrogen storage.”

That came when in 2003 Hirose’s boss Mitsuhisa Kato told him that “it’s time to join the enemy” and switch from hybrid to working on hydrogen. Hirose was made General Manager of Toyota’s fuel cell systems development, and he had to work on dispelling his own doubts. He wasn’t the only doubter.


Three years later, in 2006, the German scientist Ulf Bossel wrote a paper that basically claimed that that making hydrogen from electricity is a waste of energy. Storing the same quantity of energy in a battery rather than turning it into hydrogen for storage and later use is more efficient, Bossel posited. Decades later, the battery cam still treats this paper as if it was brought down from Mount Sinai on two iPads. To this day, Bossel’s screed remains the ideological basis of pure battery doctrine.


TOYOTA/MAGICAL MYSTERY PLANT TOUR

Bossel made a fundamental mistake in his analysis, Hirose says about the fellow nuclear physicist. Bossel assumed Hydrogen would be made using existing electricity. “If the starting point is that the electricity is already there, and if you use that existing electricity to make hydrogen with electrolysis, then yes, you would lose 30% of that energy,” Hirose says. “But people forget that when that electricity was made from natural gas, or coal, 60% to 70% of the energy was lost. If hydrogen is produced directly from natural gas or even coal, they will not lose 60 or 70% of the energy. It all depends on where you start.”


The bulk of today’s hydrogen is not made from electrolysis, but by reforming mostly natural gas, or even coal. Strangely, Bossel did not, as he himself admitted, “consider this option, although hydrogen can be chemically synthesized at relatively low cost.”

Another mainstay of the counter-fuel-cell dogma is that "when storing liquid hydrogen, some gas must be allowed to evaporate for safety reasons, meaning that after two weeks, a car would lose half of its fuel, even when not being driven.” No wonder that hydrogen loses out if we let half of it evaporate before it can power a vehicle. Ah, but Bossel is talking about “liquid” hydrogen, and Hirose calls him on it.

“Automakers have long given up the idea of using liquid hydrogen in their passenger cars,” exactly because their small tanks lack sufficient insulation for the minus 253 Centigrades of the liquid hydrogen, and half of it could indeed boil away within two weeks, I am told. The hydrogen used in fuel cell cars is pressurized, not liquid, and it won’t escape. However, it may escape those who still copypaste a 13-year-old, and long outdated paper.

Large scale storage of liquid hydrogen, on the other hand, is extremely practical, I learn over a second coffee from Toyota’s expert for advanced hydrogen storage systems: “At Japan’s space station in Tanegashima, enough liquid hydrogen to power a number of rocket launches is stored for many months with evaporation of less than 1 % of volume.” Even that is not wasted, and is used for power generation or other applications.


Another matter escaping the author of the alleged analysis was the heft of the battery. Weight is the enemy of mileage, and trying to gain range by adding more battery quickly becomes a losing proposition as more and more energy is wasted dragging a heavy battery around. Nowhere does this hurt more than with the electric trucks planned by several automakers.

“A battery-electric 40 ton truck with 500km range needs 8 tons of battery. That’s ridiculous,” says Hirose. “You want to transport goods, not a huge battery. A fuel cell stack is much lighter and easier to handle.” A hydrogen fuel cell powertrain’s weight is comparable to that of a diesel engine, Hirose tells me, sometimes it’s even lighter. “Per weight, hydrogen delivers three times the energy of diesel fuel, but it also needs a heavier tank,” Hirose says.


Times and technologies have changed since Ulf Bossel wrote the paper, and he himself has long departed from the pure battery faith. Ulf Bossel is now owner of the Swiss Almus AG, which sells the UBOCELL, a small SOFC fuel cell that turns hydrogen into electricity.


TOYOTA/MAGICAL MYSTERY PLANT TOUR

The biggest threat to the battery camp has been kept under cover so far – until this morning when I order my third coffee: Fuel cell vehicles will soon be cheaper than Toyota’s own hybrid cars, and they may one day become cheaper than regular cars. That may come as a jaw-dropper, after all, haven’t we been told that fuel cell cars are inordinately expensive, because they use high amounts of platinum?

Nonsense, says Hirose: “Back when the first fuel cell vehicles supposedly cost a million dollars, we used 100 gram of Platinum in them. You can buy that for $3,000. Now we are using …” And he pauses. “Much, much less.” A back and forth ensues on how little Platinum goes into Toyota’s fuel cell stack, and finally, Hirose reveals that it is in the neighborhood of the platinum in a catalytic converter for diesel cars, which “uses around 10 grams of Platinum.”

“People still think fuel cells use a lot of expensive precious metals. Not true,” says Hirose. “The most expensive stuff of the fuel cell stack is a 0.01 millimeter thin membrane. The rest of the stack is very cheap. Actually, the most expensive part of the fuel cell is the process, it’s the making of the stack, not the materials going into it.”


That puts the fuel cell at a huge cost advantage vis-a-vis the battery. “70% of the cost of the battery is in the raw materials,” says Hirose, and the price of raw materials usually does not come down as demand goes up. Neither do batteries free us from being tied to political hotbeds. A key ingredient of batteries is Cobalt, and 66% of the world supply comes from the allegedly Democratic Republic of Congo, where it is mined amid continuous complaints about human rights abuses. Cobalt prices have been exploding, and OEMs are in a rush to secure supplies. Lithium is plentiful in comparison, but nonetheless, The Telegraph reportsof “a frenzy of activity as a global scramble erupts to extract the metal and secure supplies for lithium-ion batteries.” As long as there is water (H2O, two atoms of Hydrogen for one of Oxygen) in the world, there is no way to run out of Hydrogen.

With 70% of the battery cost tied to raw materials, cost optimizations must focus on the remaining 30%, and “the battery is already scaled out,” says Hirose. But haven’t battery costs come down a lot? “Battery cost has come down drastically because of overcapacity,” Hirose says. “Batteries are a commodity, and if someone sells them 10% cheaper, they get the sale, increasingly below cost.” The huge battery factories built around the world require monstrous up-front investments, and advances in technology leave little time to recoup the CAPEX. Toyota’s battery partner Panasonic wrote “$7 bln in losses in two years, mainly over the write-down of an outdated battery factory,” Hirose says, “and many battery makers are in the same situation.”


Panasonic makes the battery cells that Tesla then turns into battery modules in its Nevada Gigafactory. Panasonic is “still losing money” with Tesla, Panasonic President Kazuhiro Tsuga recently told Bloomberg, saying he was hopeful it would change. Meanwhile, the round 18650 and 2170 cells Panasonic makes for Tesla are already outdated, and when Toyota and Panasonic announced an alliance to first make prismatic cells, and then solid state, Tsuga was publicly hoping that technology would not advance too quickly, saying that “If we would have shift to solid state batteries all in a sudden, our investments would be wasted.”

In comparison to batteries, “fuel cells still are in the very early stages of scale,” says Hirose. Toyota makes around 3,000 of its $60,000 Mirai fuel cell car, but it is “building a new factory to increase the production to 30,000 per year by 2020,” Hirose tells me. On top of that, Toyota supplies its fuel cell technology to trucks, buses, and “many applications beyond mobility,” Hirose says, a scale that already allows Toyota to have “the lowest cost fuel cell in the world.”

It is Toyota’s plan to bring the price of fuel cell cars to the level of hybrid cars by 2025, but “personally, I am not very comfortable with that target,” Hirose admits. “To change the world into alternative fuel, we need to provide the fuel cell cheaper than conventional vehicles. That is my personal objective. I think it can be done.”


This may sound like an outrageous claim, but according to fuel cell engineer Matthew Klippenstein, who is also co-author of the industry-standard Fuel Cell Industry Review, "Toyota's optimism on fuel cell costs is quietly shared in the industry, even as batteries have deservedly earned headlines. As the production of fuel cells scales, their cost will plummet.”


TOYOTA/MAGICAL MYSTERY PLANT TOUR

I ask Hirose when he thinks that a fuel cell car will cost less than a Corolla.

After a pause, he says:

“It depends on how serious we are about truly sustainable transportation. It can’t be done only by Toyota. If society is willing to provide the resources, it’s possible. I’m now 63 years old, I think I will live to see it.”


The debate about the fine nuances between batteries and fuel cell stacks has not ended, and it will rage on as long as factories have to be amortized, and as long as there is government money no one wants to share with the other camp. While battery power gets all the headlines, support for hydrogen is growing around the world. During the World Economic Forum 2017 in Davos, a Hydrogen Council was founded with 53 energy, transport and industry companies as members, and with Hirose as Toyota’s spokesperson in that forum. China announced plans for 350 hydrogen stations by 2025. Germany wants to have 400 stations by that date. Japan threw the heft of the world’s third largest economy behind fuel cells and announced plans to turn the island nation into a “hydrogen society” anywhere between 2030 and 2050. Japan’s capital Tokyo wants hydrogen in a greater hurry, and aims to realize the hydrogen society by 2020, when the Olympics roll into town next year.

Hirose is an outspoken man, and he doesn’t “like the term hydrogen society,” as he admits. “Hydrogen society means we fully bet on hydrogen. Instead, we should bet on a portfolio of solutions for a sustainable society. Of course, the government can incentivize, but in the long term, we need to provide what the customer likes to choose. This is not about batteries vs. fuel cell. It is about sustainable, zero emission transportation, and about customer choice.”

“A sustainable society is a lot of work,” Hirose says as he collects his things to catch his Shinkansen back to Nagoya, “but if we postpone decisions about matters like global warming, we steal the future of our children. As a company man, I should not say this,” he tells me, “but maybe you can.”

来源:氢电能源联盟

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来源:碳纤维生产技术
ACTSystem化学燃料电池汽车电力ADSUG新能源UMECAD理论材料传动控制工厂
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首次发布时间:2024-07-23
最近编辑:4月前
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思考ℱ国产碳纤维产业化之路-轨交复合材料产业化之路

本文摘要:(由ai生成)江苏恒神股份有限公司近期重组,拟募集资金不超过25.60亿元,用于偿还借款和补充流动资金。恒神股份长期亏损,面临资金压力,重组后将推进碳纤维在航空航天、轨道交通等领域的应用。碳纤维复合材料在轨交领域的应用前景广阔,有望实现产业化应用,但需解决成本、技术、材料一致性等问题。1 国产碳纤维产业化应用的下一个工业领域目前大家关注的国产碳纤维大量应用的工业领域主要是:风电叶片、以氢燃料储气罐为主的高压压力容器、汽车和轨道交通车辆。风电叶片目前已然成为超过民航碳纤维用量的新的碳纤维应用领域,国产碳纤维如何开拓在风电叶片领域的应用将另文讨论。压力容器大量使用碳纤维的要害是碳纤维性能的一致性和稳定性,同样碳纤维价格也是另一个制约的要素,相对于其他结构件,碳纤维价格在制品中的占比要高得多,工艺创新有助于降低 制件成本,但潜力比其他工业领域要小。此外碳纤维缠绕压力容器只是氢燃料罐的组成部分,其价格只是部分取决于碳纤维价格,碳纤维缠绕氢燃料储气罐的大量应用还与其他很多因素有关,例如加氢站的设置等。汽车领域是碳纤维界热议最多,也是有可能用量多达几十万吨的工业领域,但在量产车上的应用有待于设计、材料、成型制造工艺及回收技术的进展,近期恐难突破。轨道交通则是由中国国情决定的领域,几万吨用量是可以预期的。由于碳纤维复合材料高端应用首先在航空航天领域,现有的先进复合材料(不同于玻璃钢)技术(材料、设计、成型工艺、装配制造及维护等,以CMH-17《复合材料手册》为代表)主要是基于航空航天领域应用的经验教训总结,因此将碳纤维复合材料在其他工业领域的推广应用难易也取决于与航空航天领域应用环境的差异程度(实际上风电叶片的很多设计理念来源于直升机旋翼桨叶)。节能减排是当前世界各国发展的要求,结构轻量化是实现节能减排的有效措施之一,碳纤维复合材料又是实现结构轻量化的首选材料,从而在交通运输行业的推广应用碳纤维是国产碳纤维产业化首先必须关注的工业领域,表1是作者对碳纤维在交通运输:民航、轨道交通车辆(包括公交车辆)和量产汽车三个领域应用技术的比较,轨交领域和量产汽车领域,可以看出,与量产汽车行业相比,在中国轨交车辆结构的应用有可能是首先大量使用国产碳纤维的工业领域(当然必须由中车集团引导)。作者的判断是:1) 轨道交通车辆(包括公交车辆)有可能是继风电叶片后,(在中国)先于汽车行业大量使用碳纤维复合材料的另一工业领域;2) 在中国,轨交车辆可能是国产碳纤维实现其价值得到大规模应用的首个工业领域。2 轨道交通复合材料结构产业化之路作者从2011年起开始关注碳纤维复合材料在轨交领域的应用,多年来在恒神参与了多个国产轨交车辆碳纤维复合材料结构的研制和评审,对如何实现轨交车辆碳纤维复合材料结构产业化应用有一些体会。轨交行业碳纤维复合材料结构产业化之路可借鉴民机复合材料结构的产业化之路的经验教训。图1给出了民机复合材料结构产业化的进程,图中ACEE(飞机能效)、ACT(先进复合材料技术)、AST(亚声速飞机技术)、CAI(低成本复合材料)、TANGO(应用技术近期目标)和ALCAS(先进低成本机体结构)是美国和欧洲在近40年里赞助的推动碳纤维复合材料在民机结构中大量应用的研究计划,这些计划主要解决产业化过程中遇到的信心(安全)、技术、成本三个难题,其中最关键的是成本,所以“买得起”(affordability)构成了这些计划的核心和目标。从民机应用过程可以看出,分为三个阶段:非承力构件、次承力构件和主承力构件,直至本世纪初以波音787和空客350碳纤维复合材料结构分别占结构总重的50%和52%为标志实现了民机碳纤维复合材料结构产业化的目标。时至今日,波音和空客公司仍在持续追求进一步降低成本的复合材料技术。当然轨交碳纤维复合材料结构的产业化之路相对来说应远远比民航应用要快,用不了30年。图1 商用飞机复合材料结构产业化之路根据轨交行业的特点,作者设想了轨交行业碳纤维复合材料结构的产业化之路如图2和图3所示,其中非承力件如裙板等;车体结构包括设备舱、车头罩、全尺寸车厢等;注承力件包括枕梁、转向架等。目前大家关注主要集中在轨交复合材料结构的研制,即首先解决信心(安全性)和技术,成本暂时放在次要地位,迄今已取得显著的成果,比较吸人眼球的如青岛四方和长客的全碳纤维地铁车体、长客的有轨电车车体、长客的枕梁和四方的转向架等,在初始阶段这种策略是正确的,轨交行业已对碳纤维复合材料的认识有了长足的进步,根据作者的体会,复合材料界与轨交行业技术与管理人员的沟通已渐入佳境,为轨交复合材料结构的产业化提供了基础。当前面临的主要是如何使碳纤维复合材料结构制件低成本化,以及总结研制阶段获得的经验教训,制订轨交行业碳纤维复合材料结构所需的材料、设计、成型、制造规范标准和相应的管理文件。顺便说一句,民航飞机的验收标准是由欧美制订的适航条例,中国缺乏经验只能遵照执行;而中国轨交车辆的设计、制造和使用量已远远超过了欧美等其他先进制造大国,取得的经验教训是其他国家无法获得的,标准规范就是设计、制造和使用的经验教训总结,如果好好总结提高,可以制定出领先于其他国家的标准规范(起码可以根据中国的实践,增加若干体现中国特色的条款),何至于在国际上招标还要执行欧标。俗话说一流企业做标准,二流企业做品牌,三流企业做产品,中车集团应该在世界上是轨交领域的一流企业,但没有中国标准就配不上一流企业。切记轨交复合材料结构产业化来不得大跃进,低成本化之路是一条艰辛之路,需要由主机厂牵头将复合材料原材料生产、结构设计、成型工艺、结构制造、设备制造等厂商(团队)等组成紧密配合的工作队,按研发 低成本化 批量化生产的路线,朝着实现轨交复合材料结构全寿命成本(制造成本+使用成本+维护成本+回收成本)优于金属结构方向努力,可以在不太长的时间实现轨交复合材料结构产业化生产,同时实现国产碳纤维在轨交行业大批量应用,到那时,几万吨碳纤维的年需量不会是梦。复合材料界经常说;设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障,其中低成本化突破的关键首先是设计,回顾碳纤维复合材料风电叶片实现产业化的关键就是VESTAS在结构设计思路上的突破,轨交行业碳纤维复合材料应用产业化的突破也必须首先在设计理念上的突破,既要继承航空航天的碳纤维复合材料技术,又必须跳出航空航天固定思维的理念,才可能实现。同时很多研发人员往往忽视应用是目的,在开发过程中没有始终把批量生产作为目标,当下我国科研项目成果颇丰,但实现产业化的很少,原因之一就是我国很多科研项目在制订时没有明确的产业化目标。目前从事轨交碳纤维复合材料结构的研发人员来源于各种不同的行业,表2列出了他们各自的优点和弱点,因此这些研发人员要对此有所认识,发扬优点,克服自身的弱点,才有可能在轨交碳纤维复合材料结构的设计中进行创新。表中提及的碳纤维复合材料结构的精细设计与制造主要源于碳纤维复合材料是一种高成本的材料,其用途主要是追求轻量化、对安全性要求极高的结构,势必需要对结构设计和制造做到精细化,才能充分利用材料的优势,表现为:对材料性能测试尽可能准确,结构设计的安全裕度在满足结构完整性要求的前提下尽可能小,在主承力方向0°方向纤维尽可能多,碳纤维在复合材料中所占的比例尽可能高,制件中的缺陷尽可能少等等。总之,在前期已开展大量预研的基础上,当前轨交碳纤维复合材料结构研制应转向下列重点:1) 建立轨道交通复合材料结构适用的标准、规范和手册;2) 以轨道交通车辆制造商牵头,组成包括原材料供应商、复合材料结构设计专业团队、设备供应商、复合材料结构生产厂等紧密结合的全产业链联盟;3) 集中精力开发具有产业化前景的结构件(即买得起的复合材料轨道交通复合材料结构件),首先着重对已有研发基础的结构开展低成本化研究,在取得阶段性成果(即全寿命成本接近市场可接受水平)后进行小批量生产和试运行,同时开展产业化研究,建立大批量生产的生产线。图2 轨道交通复合材料结构产业化之路图3 设想的轨道交通复合材料结构产业化进程3 轨交碳纤维复合材料结构的研发体会如CMH-17《复合材料手册》中指出的碳纤维复合材料结构研发特点:“并行工程,由设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师(可靠性、维护性和生存性)以及成本估算师组成的团队联合、并行地研制新产品或新系统,现已成为公认的设计方法。”这里列出了作者接触到,目前轨交复合材料结构研发中出现的一些问题和今后的设想。3.1 设计规范结构安全性的标准是满足结构完整性要求,飞机结构完整性的定义是:“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构的强度、刚度、损伤容限、耐久性和功能的总称。”具体体现就是飞机结构强度与刚度设计规范,该定义基本上适用于对安全性有较高要求的其他工业领域。各工业领域的结构都必须按各自的强度刚度设计规范进行结构安全性评估,但只有少数工业领域的规范包含复合材料结构的内容,如表3所示,其中航空领域的条款是针对碳纤维复合材料的应用,而传播和风电叶片的规范主要是玻璃钢应用经验的总结,不一定适用于碳纤维复合材料,其他工业领域基本没有复合材料的应用经验,没有适用的的设计规范要求。目前多数轨交复合材料结构设计师或者通过增加安全系数,或者是遵照玻璃钢风电叶片的设计规范来进行设计,实际上这种设计方法存在很大的安全隐患。根据作者对飞机碳纤维复合材料结构设计与使用及飞机复合材料结构强度与刚度设计规范编制过程中的体会,飞机规范中的下列要点应适用于其他工业领域以杆板壳形式出现的复合材料结构,参见表4。3.2 结构设计1) 整体化结构与工艺成本的权衡复合材料成型工艺的特点是适合于整体成型复杂形状零件,可以减少装配工作量和紧固件,但会增加模具的复杂性和加工成本,同时过分整体化给维修带来隐患,必须适度。2) 充分利用复合材料铺层的可设计性很多缺乏碳纤维复合材料结构设计经验的设计师不会利用复合材料铺层的可设计性,习惯于按准各向同性材料进行设计,只是利用密度小的优势,往往达不到最佳的减重效果。此外习惯于采用夹层结构来提高结构刚度,不习惯采用加筋结构来满足刚度要求。3) 创新的连接方法连接一直是结构设计的难点,轨交复合材料结构无法采用金属结构的传统连接方式,采用航空结构的连接方式往往比较昂贵,如何在二者当中取得平衡,可能必须采用创新的连接方式。4) 多种材料/多种工艺混用有两个层次的混用,即组件结构级和零件级。组件级中零件可以采用不同材料和工艺制造,然后将不同材料(工艺)制造的零件进行组装,其中关键零件可能需要使用碳纤维复合材料,其他零件可以采用玻璃纤维、工程塑料、SMC、LFT甚至金属制造,然后组装在一起;零件级也可以采用多种材料/工艺一次成型,如图4和图5所示,也可以像风电叶片一样,由不同材料/工艺生产出半成品零件最后整体成型。材料:热塑单向带+LFT 工艺:模压+注射图4 用不同材料/工艺制造的汽车零件5) 结构功能一体化传统碳纤维复合材料结构主要考虑中结构力学性能要求,其他功能,例如保温、减震降噪、电磁性能、导电性能等采用其他方法解决,今后可以在结构设计时利用复合材料可设计性(包括功能)的优势,通过特种纤维、树脂或夹芯材料及材料设计,在结构成型的同时满足其特种功能需求。6) 结构组件标准化风电叶片的结构设计创新在于将复杂大型整体成型的叶片分解为将若干标准件进行组装后整体成型,其中的标准件可以采用传统工艺高效生产,其性能优于一次整体成型的大型零件。这种设计思路同样可以在轨交复合材料结构中采用。图5 风电叶片结构3.3 选材和材料性能确定方法1) 阻燃性能轨交结构对阻燃性能有很高的要求,目前可用的树脂体系很难满足,当然通过研发可以获得满足轨交阻燃标准的材料体系,但满足阻燃要求的材料体系的成本及工艺性可能无法接受,必要时需要将阻燃要求与工艺性及成本进行权衡。毫无疑问结构的阻燃要求是完整性要求的一部分,必须满足,但是否可以由材料体系本身与其他结构设计途径各分担一部分,而不是全部归为材料体系的要求。2) 材料性能分散性金属的性能在离开材料供应商之后基本确定,后续的加工(除热处理、锻造外)对材料性能基本没有影响;而复合材料的特点是材料与结构同时形成,没有结构也没有材料,材料性能分散性的来源包括材料组分与生产以及结构成型工艺两部分,性能分散性比金属要大,因此对设计用材料性能数据的确定方法也不同于金属,要借鉴航空领域的方法建立碳纤维复合材料体系稳定性的评估方法与后续供料一致性的管理体系,不能简单地采用增加安全系数的习惯方法。民机咨询通报AC20-107B《飞机复合材料结构》中提出的原则:“要建立覆盖材料、材料工艺和制造方法的标准,确保制造可重现和可靠结构的基础。需要材料规范来保证所采购材料的一致性,并用批次验收试验或统计过程控制来保证材料性能任何时候都不会出现偏离。应建立覆盖工艺方法的规范来保证能生产出可重现且可靠的结构,在每一材料规范中定义的工艺鉴定与验收试验的方法应代表拟采用的制造工艺,生产试验件的工艺参数应与制造真实产品零件所用的工艺参数尽可能相一致,试验件与产品零件都必须符合材料与工艺规范。”同样适用于对安全性有很高要求的其他工业领域。3) 原材料国产化a) 原材料国产化除是轨交复合材料结构稳定生产的安全保障外(虽然不像军机与民机原材料供应安全性那么重要),同时也是作为战略物资的国产碳纤维产业发展的良机。航空复合材料结构用原材料需要在飞机结构研发阶段同时完成原材料的鉴定及材料规范的制订,飞机取得适航后其他来源供应商进入供应链是非常痛苦的过程,甚至不一定再有机会,国产碳纤维若是无法在轨交复合材料结构研制阶段进入图纸,研制完成后进入也将是极其痛苦的进程,甚至就此失去机会。b) 作为轨交结构所用的原材料,必须同时提供碳纤维和满足轨交使用要求相匹配的树脂,满足使用要求(包括性能与工艺性)的树脂通常无法从市场上直接获取,必须专门研发。3.4 适合轨道交通行业特点的成型工艺1996年在由美国国家科学院、国家工程院和国家医学研究院下属先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中明确指出:“虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往归因为原材料的高成本,但材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%。事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究,但近年来成本则起到了更大的作用。这样,开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。委员会相信,在可预见的将来,发展趋势是不断开发低成本的制造工艺。” 该建议同样适用于轨交复合材料结构。复合材料结构成型工艺通常包括下列几类:热压罐工艺、液体成型工艺、模压工艺、真空袋(非热压罐)、拉挤工艺和缠绕工艺成型工艺等。在民机结构成型工艺传统以热压罐工艺为主,在低成本化过程中,液体成型(VARI、RFI、RTM等)工艺正在开始替代热压罐工艺;航天领域大量采用缠绕工艺,在其他行业出于成本考虑采用了很多低成本的工艺;轨道交通碳纤维复合材料结构目前多采用液体成型和非热压罐工艺,少量也使用热压罐工艺,考虑到降低成本的要求,不是所有的结构都有很高的性能要求,因此除碳纤维外还会采用多种其他材料制造的结构(或结构组分),同时也可以采用其他低成本的成型工艺,如图5所示。风电叶片的使用经验已为其他工业领域碳纤维复合材料的使用提供了启示。图6 不同工业领域采用的成型工艺3.5 复合材料回收技术对于目前年产量几百万吨的玻璃钢废弃物、年用量超过2万吨的碳纤维复合材料飞机结构、超过2万吨的碳纤维复合材料风电叶片,复合材料回收技术是更加迫切的问题。好在复合材料的回收技术近年来已取得很大进展,例如最近网上流传“碳纤维回收性里程碑ELG与波音携手共筑”,波音公司将从2017年3月开始每年向ELG发送454吨的废料,由ELG公司回收在加工,今年11月10日在北京召开了“首届纤维复合材料回收国际论坛”并成立了纤维复合材料再生分会,从会议报道及群中的交流可以看出,纤维复合材料回收再利用技术在国际和国内都取得了突破性进展,为轨交领域使用碳纤维复合材料没有了后顾之忧。4 结束语所有的新材料从研发到实现产业化应用都要经过漫长的历程,碳纤维如此,纳米材料和石墨烯材料也是如此,研发人员要首先意识到所开发新材料的优势和劣势,找寻最适用的应用领域,并与该领域的应用对象密切合作开发出可以实现性价比优于原用材料的示范产品,然后沿此方向继续扩大应用,才能实现在工业领域的大规模应用。新材料的开发者不应寄希望由用户首先开发出适用的产品,因为新材料开发者最清楚这种材料的优缺点,也只有开发者主动与用户一起实现从材料到产品的工艺路线,才能实现新材料的最初应用。回顾碳纤维的发展历史,如果不是东丽首先在高尔夫球杆上实现产业化应用,就不可能会有民用飞机碳纤维复合材料应用的今天。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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