《复合材料世界》报道了储氢和燃料电池技术在多种交通领域中日益增长的广泛应用，这是因为各国对“缓解气候变化”作出了承诺。但是，在特朗普强调军事和化石燃料的政策背景下，实现“零排放”的紧迫性受到了阻碍，因此，氢能发展的重点现已转向航空领域。
Carbon ID为氢燃料电池应用提供一系列的双极板材料（图片来源：Carbon ID）
然而，燃料电池给航空航天工程师带来了材料悖论。双极板必须是极好的导电体，具有金属般的效率，同时，还要防止氢气出现分子水平的渗透。传统的金属板有效解决了导电性问题，但在燃料电池恶劣的电化学环境中，却容易受到腐蚀，因此，需要昂贵的保护涂层，而这些涂层最终也会失效。复合材料具有耐腐蚀、重量轻和最佳的比强度等优势，但其聚合物基体本身是电绝缘的且允许气体透过。
Carbon ID（法国里昂）是一家复合材料初创公司，质疑这一矛盾究竟源于材料选择还是结构设计。为了寻找答案，该公司创始人Pascal Poulleau及其团队开发了一种多层热塑性复合材料（TPC）系统，在此系统中，每一层材料都负责提供一种特定的功能性能。最终的双极板材料实现了与金属双极板相当的导电性，同时具有完美的气密性。该双极板材料厚50-200微米，标准的生产厚度规格为100微米。
目前，已有多家OEMs在验证该材料，准备将其用于预计于2030-2035年间投入使用的支线飞机。届时，Carbon ID计划每年生产100万平方米的材料，以满足预计的燃料电池生产需求。
1电化学环境
质子交换膜（PEM）燃料电池分解示意图，用于汽车应用的电堆设计（图片来源：IDTechEx）
双极板作为燃料电池堆内单个电池之间的结构骨架和隔板分离器，将氢气和氧气均匀地输送到整个反应区域，在单个电池之间传导电子，并去除反应副产物。导电性必须接近金属水平，通常要求贯穿厚度的电阻率要低于10 毫欧·平方厘米，这样才能最大程度地减少数百块叠层板之间的寄生损耗。隔膜材料必须具备极佳的气体阻隔性，以防止氢气从一侧渗透到另一侧。如果发生了气体渗透，就会降低效率并造成安全隐患。
航空航天运行环境带来了额外的限制条件：燃料电池内部的化学环境在强酸性和中性之间不断变化；高温质子交换膜（PEM）系统中的温度可达200℃；在每次飞行周期中，系统会经历从环境温度到高温运行温度之间的反复加热与冷却。
金属双极板虽然满足导电性要求，却不符合耐久性标准，即使有保护涂层，也常常会在短短的几个月内就开始腐蚀。金涂层能有效防止双极板的腐蚀，但由于是贵金属，其成本极高，且金的密度大，会增加系统重量。此外，用于支线飞机燃料电池系统的完整的金属双极板电堆，其重量可能超过200公斤。
之前对复合材料双极板的许多研究尝试，都侧重于将导电填料以40%-60%的高比例添加到热固性聚合物基体中。这些配方材料只能实现很低的导电性，其导电能力比金属差好几个数量级。传统热固性复合材料的加工方式还限制了生产的可扩展性，而使用最广泛的模压成型工艺也生产效率低下，因此都难以满足航空航天领域的需求。
2功能层架构
Carbon ID的方法源于2021年，当时，法国一家能源机构的研究人员向Poulleau展示了腐蚀的金属双极板。初步评估主要关注形状可行性，更具体地说，是评估复合材料模具能否复制出复杂的流道结构。鉴于创始人的航空航天背景，这件事显得非常简单。
在双极板上成型的流道（图片来源：Carbon ID）
根本性挑战在需求分析阶段就浮现出来。“我们是搞复合材料的人，而搞复合材料的人通常对电化学知识了解的不多。”Poulleau解释道，“经过逐步分析，我们最终确定，必须能像金属一样导电，同时还要能够密封氢气和其他流体，并具备耐化学腐蚀性能。而且，制成的聚合物及复合材料要具有极好的绝缘性，所以这就是挑战所在。”
该团队放弃了寻找“万能材料”的想法，转而将双极板概念重新定义为一个多层的功能性组件。每个层压层都提供特定的性能，完整的组件通过结构设计而非对材料性能的取舍来满足所有的标准要求。该方法扩展了航空航天复合材料的设计原则，即订制纤维方向优化结构性能，重点关注功能性而非机械性能。
“我们查阅了大量的氢测试标准，并自制了测试台来测量电气性能。” Poulleau说道，“我们利用车间的制造能力，设计并制造了专用的测量夹具，从而实现了快速迭代。我们自制了电阻率测试设备，能够进行逐步分析。”
实验方法类似于食谱开发。Carbon ID实验室成为一个用于测试不同配方的场所，在此，将热塑性基体、导电材料和增强纤维以不同的比例混合，加工成尺寸大约为半张A4纸的试样，然后对这些试样的电气性能、机械性能和阻隔性能进行测试和评估。
为了保持作为全复合材料解决方案的合规性，所有的导电添加剂必须采用非金属的碳基配方。石墨和碳黑增强了导电性，而碳纤维和玻璃纤维增强材料则贡献了机械性能。对热塑性基体的选择要求其在目标使用范围内要平衡好加工温度、化学耐受性和机械性能。
3多层结构
Carbon ID的最终材料架构由多个独立的TPC层组合而成，每一层都贡献了特定的性能。虽然 Carbon ID 的配方细节受法国专利和国际专利申请的保护，但其功能设计原理可以从验证测试的结果中清晰地推断出来。
基础系统使用热塑性基体，适用于3种使用温度范围：100℃用于汽车和固定设备，150℃和200℃用于高温航空航天系统。碳纤维和玻璃纤维增强材料提供机械完整性和尺寸稳定性。“碳纤维具有高的比刚性，但会产生各向异性的电性能。” Poulleau强调道，“玻璃纤维在需要电气隔离的地方能以较低的成本提供绝缘性，但机械性能较差。”
专为制造燃料电池双极板而设计的具有超薄层状结构的复合材料（图片来源：Carbon ID）
导电电荷均匀地分散在热塑性塑料基体中，提供了贯穿厚度的导电性。石墨和碳黑粒子形成渗透网络，使得电子能够在层间传输。要实现与金属相当的导电性能，需要优化的颗粒尺寸分布、接近流变极限的添加比例以及能够均匀分散颗粒且不结团的特殊混合工艺。
最具创新性的部分在于解决了气密性问题。“起初，气密性非常不好。”Poulleau承认，“从理论上讲，复合材料似乎不是提供气密性的合适材料。”Carbon ID的解决方案通过施加一个特殊的表面层来起到分子屏障作用，防止氢渗透，同时保持导电性。“我们成功地将这个目标降至50微米，尽管100微米代表了平衡可操作性与性能的标准规格。”Poulleau表示。
以卷料形式生产适用于双极板的材料（图片来源：Carbon ID）
生产则借鉴了塑料薄膜行业成熟的、高效的连续生产线技术。将原料送入生产线中，该生产线组合/叠加层，加热并加压以进行固结，输出的成品材料是卷状的，其最大宽度可达600毫米。在线质量控制系统持续监测厚度变化和导电率，确保符合规范要求。已加工完成的料卷，通过热塑性成型工艺被制成双极板。将切割好的坯料加热至其玻璃化转变温度以上，然后用配套的模具压制成型，形成所需的流道形状，最后使其冷却。整个加工周期只需要几秒钟，而不是传统上加工热固性材料所需的几个小时，因而实现了高产率生产。机器人自动化技术与液压系统确保了航空级别的精度与可重复性。
4验证测试，获得证实的性能
性能验证的重点聚焦于满足航空航天认证要求，即必须证明能够安全可靠地运行至少30年，这30年是其耐久性的最低可接受门槛。Carbon ID与多家航空航天OEMs合作，制定了导电性、气密性、化学抗性和热循环耐久性等4个关键领域的测试协议。
“对于标准的100微米厚度，测得的贯穿厚度的界面接触电阻低于10毫欧·平方厘米，这一数值达到甚至优于典型金属的同类性能指标。”Poulleau强调说，“导电性在从环境温度到200℃的整个工作温度范围内保持稳定，并且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在不同压差条件下氢气的透过率。“表面阻隔层阻止了氢分子的通过，测得的渗透率低于仪器可检测的极限。”Poulleau解释道。
化学耐受性验证依据的是航空航天资格认证中采用的加速老化标准。将测试样片浸入高温的强酸溶液中长时间浸泡，以模拟材料在实际电化学腐蚀环境下经过多年才能达到的腐蚀效果。“这种方法是将材料置于极高的酸性环境和极高的温度下，持续数天，而非数月甚至数年。”Poulleau介绍说。在模拟30年实际使用环境的老化测试周期中，材料没有发生任何可测量的性能下降。
尽管如此，Carbon ID仍在开展超越传统测试的先进表征分析。显微剖面和光谱技术被用于检验酸是否出现分子层面的渗透。“我们会在材料内部进行具体测试，看看是否有酸性物质进入热塑性塑料。”Poulleau说道，“这些计划于2025年底进行的测试，将为正式的航空航天认证提供所需要的详细的材料科学数据。”
到目前为止验证的性能表明，其热膨胀性能相对于金属替代方案更具优势。航空航天燃料电池堆由数百个双极板组成，这些双极板之间通过弹性体密封件进行密封，以防止反应气体泄漏。由于Carbon ID的复合材料板表现出比金属替代品低得多的热膨胀系数，因而能更好地与密封材料匹配，从而降低热机械应力并提高长期密封可靠性。与金属双极板相比，它们还减轻了50%的重量，这对于一个完整的支线飞机用的燃料电池电堆来说，意味着可以减轻超过100公斤的重量，从而直接有助于提升有效载荷能力和航程性能。
在千分尺上测试的100微米厚的材料（图片来源：Carbon ID）
5提升产能，满足强劲的市场需求
尽管最初关注的是汽车领域，但Carbon ID的商业化战略现已转向以航空航天应用为重点。“起初，我们认为汽车行业可能会对此感兴趣，事实也确实如此，但他们的兴趣点在于立即开发出当下就能用的燃料电池，而不是投入时间去研发碳双极板这种更前沿、但需要长期投入的组件。”Poulleau解释道，“汽车行业的发展时间表似乎是优先考虑利用现有的金属材料技术进行快速部署，而暂时接受金属材料固有的腐蚀问题。”
航空航天领域则提出了截然不同的需求。目标为30-50座级别的支线飞机，其所需要的燃料电池动力系统要远大于汽车应用所需要的，它具有数百千瓦至兆瓦级别的功率输出。“他们可能不相信，使用由钢或钛制成的大型、沉重的金属燃料电池，能够成功起飞。”Poulleau说道，“航空航天领域的客户要求零部件具有30年的使用寿命，且维护需求极低，这使得不腐蚀的复合材料板成为必不可少的材料。”
多家航空航天和eVTOL的制造商正在开发氢燃料电池推进系统，并计划在2030-2035年之间投入使用。Carbon ID目前与北美和欧洲的客户合作，其中发展速度最快的是美国市场。
Carbon ID 的产能规划是基于对航空航天领域需求的预测而制定的。该公司目前运行着一条中试生产线，年产量约10000平方米，主要用于支持产品开发项目和资格认证测试。一座正在建设的新设施将容纳一条600毫米宽的连续生产线，该生产线将于2026年投产，并将于2027年为材料认证和首批客户交付提供支持。
为了在2030年实现年产100万平方米的目标，需要多条生产线连续运行。每架支线飞机使用的燃料电池堆含有300-800块双极板，意味着每架飞机总计需要50-100平方米的材料。按月产10架飞机计算，每月为一家客户就要准备大约12000平方米的材料。Carbon ID设定的100万平方米的目标，目前仅得到两家已确认的航空航天客户的支持，这表明其产品具有巨大的市场潜力。
Carbon ID目前的商业模式将其定位为原材料制造商。成品材料以卷料形式运送给燃料电池制造商或专业的成型分包商，由他们进行最终的板材加工。“我们可能会寻找一个合作伙伴来开发双极板，我们的战略是，专注于成为材料制造商而非零部件制造商。”Poulleau表示。
用于氢燃料电池应用的碳纤维复合材料端板（图片来源：Carbon ID）
除了双极板，Carbon ID还开发了复合材料的端板，即装有燃料电池堆的结构性端板。这些组件相比铝制部件减轻了40%的重量，同时集成了密封面和流体供应通道等功能特征，从而拓展了Carbon ID的可覆盖市场范围。
航空航天氢推进技术的发展和Carbon ID的复合材料验证与产能提升的协同作用，使其技术有望成为实现零排放航空的关键推动力——这一目标有望在未来5年内，随着各类飞机研发项目逐步获得适航认证，而在整个航空领域内显现出积极的成果。
