碳纤维增强聚合物氢燃料电池双极板为航空航天领域提供抗腐蚀解决方案，结合了相互矛盾的性能特性，设计年产能达100万平方米。

Carbon ID 公司用于氢燃料电池应用的双极板材料系列

CW曾深入报道过，随着各国承诺减缓气候变化，氢能存储和燃料电池在各类交通应用中的使用日益广泛。但随着特朗普将重点放在战争和化石燃料上，零排放的迫切性遭受了一些挫折，氢能发展的重心现已转向航空领域。

然而，燃料电池给航空航天工程师带来了一个材料悖论。双极板必须在具备金属般的导电效率的同时，还能在分子层面阻隔氢气的渗透。传统的金属板虽能有效解决导电性问题，但在燃料电池严苛的电化学环境中容易腐蚀，需要依赖昂贵的防护涂层，而这些涂层最终也会失效。复合材料虽具备抗腐蚀、重量轻以及最佳比强度的优势，但其聚合物基体本质上是绝缘且透气的。

Carbon ID(法国里昂)这家复合材料初创企业质疑这一矛盾究竟是源于材料选择还是结构设计。为寻求答案，创始人帕斯卡尔·普洛(Pascal Poulleau)及其团队开发了多层热塑性复合材料(TPC)系统，通过离散叠层实现特定功能特性。最终研发的双极板材料在保持50-200微米厚度(标准生产规格为100微米)完全阻隔Gas渗透的同时，导电性能媲美金属替代品。

多家原始设备制造商正在验证该材料用于区域飞机应用，目标是在2030-2035年实现商业化部署。届时，Carbon ID计划每年制作100万平方米的产品，以满足预期的燃料电池生产需求。

电化学环境

质子交换膜（PEM）燃料电池的爆炸示意图，展示了汽车应用中典型的电堆设计

双极板作为燃料电池堆中单体电池间的结构分隔件，同时承担着向反应位点分配氢氧气体、传导电池间电子以及排出反应副产物的功能。其导电性能需接近金属水平，通常要求厚度方向电阻率低于10毫欧·平方厘米（mΩ·cm²），以最小化数百层堆叠板间的寄生损耗。气体不渗透性必须防止氢气交叉渗透，一旦发生此类渗透，不仅会降低系统效率，还将引发安全隐患。

航空航天运行环境带来了额外的限制：pH值在强酸性与中性条件之间波动，高温质子交换膜(PEM-proton exchange membrane)系统温度可达200°C，且每次飞行循环中都会经历环境温度与工作温度之间的热循环变化。金属双极板虽满足导电性要求，但无法通过耐久性测试—便采用防护涂层，腐蚀往往在数月内就会出现。金涂层能防止腐蚀，但其成本过高且重量超标。此外，区域飞机燃料电池系统若采用全金属双极板堆叠，总重量可能超过200公斤。

以往许多复合双极板的尝试主要集中在将导电填料以40-60%的填充比例加入热固性基体中。这些配方虽然实现了有限的导电性，但其导电性能仍比金属低几个数量级。热固性材料的加工工艺限制了制造的可扩展性，其中最广泛采用的压缩成型法生产效率不足，难以满足航空航天领域的要求。

功能层架构

双极板中的成形流道

Carbon ID的方法源于2021年，当时一家法国能源研究所的研究人员向普洛(Poulleau)展示了腐蚀的金属双极板。最初的评估聚焦于几何可行性，更具体地说，是复合材料工具能否复制复杂的流道几何形状。鉴于创始人的航空航天背景，这一点被证明是直截了当的。

需求分析阶段出现了根本性挑战。"我们是复合材料专家，但对电化学领域知之甚少，"普洛解释道，"经过逐步摸索，我们意识到系统必须达到氢密封标准，耐受化学腐蚀，同时保持与金属部件相当的导电性。然而聚合物及其复合材料本身是优良绝缘体，这正是核心难点所在。"

团队并没有强迫单一材料满足所有需求，而是重新将双极板构想为功能性层状组件。每一层压板都提供特定性能，通过架构设计而非材料妥协，整个组件满足所有标准。这种方法延伸了航空航天复合材料的设计原则，即通过定制纤维取向来优化结构性能，使其适应功能需求而非仅机械性能。

"我们不得不深入研究氢能测试标准，并自行搭建了测试平台来测量电气性能，"普洛解释道。"我们充分发挥车间制造能力，设计定制了专用测量夹具，实现了快速迭代。还自制了电阻率测量装置，使我们能够逐步进行分析。"

实验方法类似于配方研发。Carbon ID实验室变成了配方测试场，研究人员以不同比例混合热塑性基体、导电填料和增强纤维，加工成约半张A4纸大小的试样，并测试其电气、机械和阻隔性能。随着团队在创收合同与燃料电池材料研发之间取得平衡，周末加班逐渐成为常态。

为了保持完全复合解决方案的合法性，所有导电添加剂都需要采用非金属碳基配方。石墨和炭黑增强了导电性，而碳纤维和玻璃纤维增强材料则贡献了机械性能。热塑性基体材料的选择在目标工作范围内平衡了加工温度、耐化学性和机械性能。

多层结构

Carbon ID最终确定的材料结构包含多个独立的TPC层，每层都贡献特定的性能属性。虽然Carbon ID根据法国专利和国际专利申请对配方细节保密，但从验证测试中可以明显看出其功能性设计原则。

用于双极板应用的超薄层复合材料

基础系统采用热塑性基体，适用于三种工作温度范围：100°C用于汽车和固定设备应用，150°C和200°C用于高温航空航天系统。碳纤维和玻璃纤维增强材料提供了机械完整性和尺寸稳定性。"碳纤维具有高比刚度但会产生各向异性电性能，"普洛强调，"玻璃纤维在需要电气隔离时能以更低成本实现，但机械性能较低。"

分散在热塑性基体中的导电电荷提供了贯穿厚度的导电性。石墨和炭黑颗粒形成渗透网络，在层间传输电子。要达到与金属相当的导电性，需要优化颗粒尺寸分布、接近流变极限的填充分数以及专门的混合工艺，以确保颗粒均匀分散而不结块。

最具创新性的元素在于解决气体阻隔问题。"最初，气体密封性完全不合格，"普洛坦言。"从理论上说，复合材料似乎不是实现气体密封的理想材料。"Carbon ID的解决方案是采用一种特殊表面层作为分子屏障，在保持导电性的同时防止氢气渗透。"我们成功将厚度控制在50微米，"普洛指出，"不过100微米才是平衡可操作性与性能的标准规格。"

双极板适用材料的卷状生产

制造过程采用了从热塑性薄膜生产中改良而来的连续加工工艺。原材料进入生产线后，通过叠加层压、施加热压实现固结，最终产出宽度达600毫米的卷材成品。在线质量控制系统持续监测厚度变化与导电率，确保产品符合规格要求。成品卷材随后进入双极板热塑成型工序。裁切好的坯料被加热至玻璃化转变温度以上，随后通过匹配模具压印出流道几何形状并冷却成型。整个成型周期仅需数秒，远低于热固性材料加工通常所需的数小时，从而实现大批量生产。机器人自动化系统与液压成型设备提供了航空航天级的精度与重复性。

验证测试，性能可靠

该性能验证聚焦于航空航天认证要求，其中30年运行寿命仅为最低可接受的耐久性标准。Carbon ID与多家航空航天原始设备制造商合作，制定了涵盖四大关键领域的测试方案：导电性能、气体阻隔性、耐化学腐蚀性以及热循环耐久性。

"厚度方向接触电阻在标准100微米厚度下测得低于10毫欧·平方厘米，达到甚至超越金属性能，"普洛强调道，"电导率在从常温到200℃的完整工作温度范围内保持稳定，在模拟数千次飞行循环的热循环测试中未出现性能衰减。"

气体渗透性测试测量了压差条件下的氢气传输速率。"表面阻隔层阻止了氢分子的传输，测得的渗透率低于检测限值，"普洛解释说。

航空航天领域的耐化学性验证采用加速老化标准进行资质认证——测试样品需在高温高酸性溶液中长时间浸泡，以模拟多年的电化学暴露环境。普洛解释道："这种方法是将材料置于极高酸度和温度环境中持续数天，而非数月至数年。"在模拟30年实际使用环境的老化循环测试中，该材料未出现任何可测量的性能退化。

Carbon ID正在进行超越常规测试的高级表征分析。微观横截面和光谱技术将检测酸是否在分子层面发生渗透。"我们将对材料内部进行特定测试，以确认是否有酸渗入热塑性塑料，"普洛指出，"这些计划于2025年底完成的研究，将为正式航空认证提供所需的详细材料科学数据。"

目前已验证的性能包括热膨胀特性，相比金属替代方案具有额外优势。航空航天燃料电池堆包含数百个带有弹性密封的双极板，可防止燃料费泄漏。由于Carbon ID复合材料板的热膨胀系数显著低于金属替代品，它们与密封材料更为匹配，降低了热机械应力并提高了长期密封可靠性。与金属双极板相比，它们还能实现重量减少高达50%，完整的支线飞机燃料电池堆可节省超过100公斤重量，直接有助于提升有效载荷能力和航程性能。

一种厚度为100微米的材料正在千分尺上进行测试生产规模扩展轨迹，需求显著

Carbon ID的商业化策略转向航空航天应用，尽管最初关注的是汽车行业。"起初我们认为汽车行业可能会有兴趣，他们确实有，但他们更关注的是快速开发出当下可用的燃料电池，而非花时间研发碳双极板，"普洛解释道。"汽车行业的时间表似乎优先考虑利用现有金属技术快速部署，接受腐蚀性限制。"

航空航天领域提出了截然不同的要求。针对30至50座支线飞机的燃料电池系统需比汽车应用大得多，功率输出达数百千瓦至兆瓦级。"他们可能不相信采用钢材或钛金属制造的大型笨重燃料电池能实现起飞，"普洛指出，"航空航天客户还要求部件具有30年使用寿命且维护需求极低，这使得防腐蚀复合材料双极板成为关键。"

多家航空航天及电动垂直起降飞行器制造商正在开发氢燃料电池推进系统，目标服役时间设定在2030至2035年间。Carbon ID当前业务覆盖北美与欧洲客户，其中美国市场的发展速度最为迅猛。

此外，Carbon ID的生产能力规划与航空航天需求预测相呼应。该公司目前运营一条年产约10,000米的试验生产线，用于支持开发项目及资质认证测试。正在建设的新设施将配备2026年投产的600毫米宽连续生产线，计划在2027年完成材料认证并实现首批客户交付。

到2030年实现年产能100万平米的目标，需要多条生产线持续运转。每架区域飞机的燃料电池堆包含300-800个双极板，单机材料用量达50-100平米。若每月生产10架飞机，仅单一客户每月就将消耗约1.2万平米材料。Carbon ID设定的百万平米产能目标目前仅服务于两家已确认的航空航天客户，显示出巨大的市场潜力。

Carbon ID目前的商业模式仅定位为原材料制造商。成品材料以卷材形式配对给燃料电池制造商或执行最终板材制造的专业成型分包商。"我们可能会寻找合作伙伴来制造双极板。我们将专注于成为材料制造商，而非零部件制造商，"普洛明确表示。

用于氢燃料电池应用的碳纤维复合材料终端板

除双极板外，Carbon ID还开发了复合终端板——这种结构性端板用于封装燃料电池电堆。与传统铝制部件相比，这些组件能实现40%的减重效果，同时集成了密封面和流体供给通道等功能特征，进一步拓展了Carbon ID的可触达市场空间。

航空航天氢推进技术的发展与Carbon ID复合材料验证及生产能力扩展相结合，使其技术有望成为零排放航空的潜在推动力。这一成果对于整个行业而言，随着未来5年内飞机研发项目逐步获得认证，其重要性将日益显现。