多层TPC实现了100微米厚的导电、不透气燃料电池
CW曾就各国为应对气候变化而日益增长的氢能储存和燃料电池在各种交通运输领域的应用撰写了大量文章。但随着特朗普政府对战争和化石燃料的重视，零排放的必要性受到了一定程度的阻碍，氢能的发展方向也随之转向了航空领域。
然而，燃料电池给航空航天工程师带来了一个材料悖论。双极板必须同时具备金属般的导电效率，并能从分子层面阻止氢气渗透。传统的金属板虽然能有效导电，但在燃料电池严苛的电化学环境中却极易腐蚀，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性、轻量化和优异的比强度，但其聚合物基体本身却具有电绝缘性和透气性。
法国里昂一家名为Carbon ID的复合材料初创公司质疑，这种矛盾究竟源于材料选择还是结构设计。为了找到答案，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，其中各层分别赋予材料特定的功能特性。由此产生的双极板材料在50-200微米的厚度范围内（标准生产规格为100微米），实现了与金属材料相当的导电性，同时保持了完全的气体不渗透性。
目前，多家原始设备制造商正在验证该材料在支线飞机应用中的适用性，目标是在 2030 年至 2035 年实现商业部署。届时，Carbon ID 计划每年生产 100 万平方米 (m2 )的产品，以满足预计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，这是汽车应用中常用的典型燃料电池堆设计。来源 | IDTechEx双极板作为燃料电池堆内各个电池之间的结构隔板，同时将氢气和氧气分配到反应位点，在电池间传导电子并去除反应副产物。其导电性必须接近金属水平，通常要求厚度方向的电阻率低于 10 毫欧·厘米² (mΩ·cm²)，以最大限度地减少数百个堆叠极板的寄生损耗。气体不渗透性必须防止氢气渗透，否则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：pH值在强酸性和中性之间波动，高温质子交换膜（PEM）系统温度可达200°C，并且在每个飞行循环中都会经历环境温度和运行温度之间的热循环。金属双极板虽然能够满足导电性要求，但耐久性不足，即使涂覆了保护涂层，腐蚀也往往会在几个月内发生。镀金可以防止腐蚀，但成本高昂且重量巨大。此外，用于支线飞机燃料电池系统的完整金属双极板堆重量可能超过200公斤。
以往许多复合双极板的研究都集中在将导电填料以40-60%的填充率掺入热固性基体中。这些配方虽然能实现一定的导电性，但其导电性仍比金属低几个数量级。热固性加工工艺限制了生产的规模化，其中应用最广泛的压缩成型工艺限制了生产速度，无法满足航空航天领域的要求。
功能层架构
在双极板中形成通道Carbon ID 的方法起源于 2021 年，当时一家法国能源研究所的研究人员向 Poulleau 展示了易腐蚀的金属双极板。最初的评估侧重于几何可行性，更具体地说，是复合材料模具是否能够复制复杂的流道几何形状。鉴于创始人的航空航天背景，这被证明是轻而易举的。
根本性的挑战出现在需求分析阶段。“我们是做复合材料的，而复合材料领域对电化学知之甚少，”Poulleau解释道。“我们一步步发现，我们需要的产品能够密封氢气和其他液体，耐化学腐蚀，并且导电性要和金属部件一样好。然而，聚合物及其复合材料的绝缘性却相当差，这就是我们面临的挑战。”
研究团队并没有强行使用单一材料来满足所有要求，而是将双极板重新设计为功能层组件。每一层层压板都提供特定的性能，整个组件通过结构设计而非材料妥协来满足所有标准。这种方法扩展了航空航天复合材料的设计原则，在航空航天复合材料设计中，通过定制纤维取向来优化结构性能，使其更侧重于功能而非机械性能。
“我们不得不阅读大量关于氢气测试标准的资料，并自行搭建了测试台来测量其电性能，”Poulleau 指出。“我们充分利用了车间的资源，设计并制造了定制的测量夹具，从而实现了快速迭代。我们还自制了电阻率测量装置，因此能够逐步进行分析。”
实验方法类似于配方开发。Carbon ID 的实验室变成了一个配方测试环境，热塑性基体、导电材料和增强纤维以不同的比例混合，加工成大约半张 A4 纸大小的试样，并对其电性能、机械性能和阻隔性能进行表征。由于团队需要在创收合同和燃料电池材料开发之间取得平衡，周末加班成了家常便饭。
为了确保其作为全复合材料解决方案的有效性，所有导电添加剂均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提升了机械性能。热塑性基体的选择兼顾了加工温度、耐化学性和目标工作范围内的机械性能。
多层结构
Carbon ID的最终材料结构由多个独立的TPC层组成，每一层都贡献特定的性能属性。虽然Carbon ID将配方细节保护在法国专利和国际专利申请中，但其功能设计原则已通过验证测试得到证实。
用于双极板的超薄层状复合材料该基础系统采用热塑性基体，适用于三种工作温度范围：100°C 用于汽车和固定式应用，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机械完整性和尺寸稳定性。“碳纤维具有很高的比刚度，但会产生各向异性的电性能，”Poulleau 强调说。“玻璃纤维可以在需要的地方以更低的成本提供电隔离，但机械性能较差。”
分散在热塑性基体中的导电电荷赋予材料厚度方向的导电性。石墨和炭黑颗粒形成渗流网络，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，使负载量接近流变极限，并采用特殊的混合工艺，使颗粒均匀分散而不发生团聚。
最具创新性的环节在于气体不渗透性。“起初，气密性很差，”Poulleau坦言，“从理论上讲，复合材料似乎并不适合提供气密性。” Carbon ID的解决方案采用了一种特殊的表面层，该表面层可作为分子屏障，防止氢气渗透，同时保持导电性。“我们成功地将厚度控制在50微米以内，”Poulleau指出，“尽管100微米是兼顾操作性和性能的标准规格。”
以卷材形式生产适用于双极板的材料该制造工艺采用源自热塑性薄膜生产的连续加工流程。原材料进入生产线，该生产线将材料层层叠加，施加热量和压力进行固化，最终输出宽度达 600 毫米的卷材成品。在线质量控制系统持续监测厚度偏差和导电性，确保符合规格要求。成品卷材通过热塑性成型工艺进行双极板制造。切割好的坯料被加热至玻璃化转变温度以上，然后使用配套模具压印出流道几何形状，最后冷却成型。整个流程仅需数秒，而传统的热固性材料加工通常需要数小时，从而实现了高产量。机器人自动化和液压系统确保了航空航天级的精度和重复性。
验证测试，性能已得到验证
性能验证侧重于航空航天认证要求，其中30年的使用寿命是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(OEM)合作，制定了涵盖四个关键领域的测试规程：导电性、气体不渗透性、耐化学性和热循环耐久性。
Poulleau强调：“在标准的100微米厚度范围内，测得的厚度方向接触电阻低于10 mΩ·cm²，达到或超过金属性能标准。在从室温到200°C的整个工作温度范围内，导电性保持稳定，在模拟数千次飞行循环的热循环测试中未出现性能退化。”
气体渗透性测试测量了差压条件下的氢气透过率。“表面阻隔层阻止了分子氢的传输，测得的渗透率低于检测限，”Poulleau解释道。
化学耐受性验证采用了航空航天鉴定中的加速老化标准；测试样品在高温高酸溶液中浸泡较长时间，模拟多年的电化学暴露。“该方法是将材料置于极高酸度和极高温度下数天，而不是数月甚至数年，”Poulleau 解释道。在模拟 30 年运行暴露的老化循环中，该材料未出现可测量的性能退化。
Carbon ID仍在进行超越传统测试的先进表征。显微横截面分析和光谱分析技术将检验酸是否在分子层面发生渗透。“我们将对材料内部进行专项测试，以确定是否有酸渗入热塑性塑料中，”Poulleau指出。“这些计划于2025年底进行的研究将提供详细的材料科学数据，这些数据对于正式的航空航天认证至关重要。”
迄今为止验证的性能包括其热膨胀特性，这些特性使其比金属替代方案更具优势。航空航天燃料电池堆包含数百个双极板，并采用弹性密封件防止气体泄漏。由于Carbon ID复合材料板的热膨胀系数远低于金属替代方案，因此它们与密封材料的匹配度更高，从而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，它们的重量最多可减轻50%，对于完整的支线飞机燃料电池堆而言，减重超过100公斤，直接提升了有效载荷能力和航程性能。
用千分尺测试厚度为 100 微米的材料生产规模化发展轨迹，显著的需求
尽管最初汽车行业也表现出兴趣，但Carbon ID的商业化战略最终转向了航空航天应用。“起初，我们认为汽车行业或许会感兴趣，他们的确感兴趣，但他们更感兴趣的是尽快开发出可用的燃料电池，而不是花时间研发碳双极板，”Poulleau解释道。“汽车行业的进度安排似乎更倾向于利用现有的金属技术快速部署，即使这意味着要接受腐蚀方面的限制。”
航空航天领域的需求截然不同。载客量为30-50人的支线飞机所需的燃料电池系统比汽车应用的要大得多，功率输出可达数百千瓦甚至兆瓦级。“他们可能不相信用钢或钛制成的大型金属燃料电池能够成功，”普洛指出。“航空航天客户还要求部件使用寿命长达30年，且维护量极低，因此耐腐蚀复合材料板至关重要。”
多家航空航天和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，目标是在 2030 年至 2035 年间投入使用。Carbon ID 目前与北美和欧洲的客户开展合作，其中美国市场的开发速度最快。
此外，Carbon ID 的产能规划充分考虑了航空航天领域的需求预测。该公司目前运营一条年产量约 10,000 平方米的试验生产线， 用于支持研发项目和认证测试。一座正在建设中的新工厂将配备一条 600 毫米宽的连续生产线，预计于 2026 年投入使用，用于支持材料认证和 2027 年的首批客户交付。
到2030年，年产能达到100万立方米需要多条生产线持续运转。每架支线飞机燃料电池堆包含300-800块双极板，每架飞机总计需要50-100立方米的材料。如果每月生产10架飞机，则仅一个客户每月就需要消耗约12,000立方米的材料。Carbon ID公司100万立方米的产能目标目前仅服务于两家已确认的航空航天客户，这表明市场潜力巨大。
Carbon ID目前的商业模式将其定位为一家纯粹的原材料制造商。成品材料以卷材形式运送给燃料电池制造商或专门进行最终板材加工的专业成型分包商。“我们可能会寻找合作伙伴来成型双极板。我们将专注于成为一家材料制造商，而不是零部件制造商，”Poulleau解释道。
用于氢燃料电池的碳纤维复合材料终端端板除了双极板之外，Carbon ID 还开发了复合材料端子板——用于容纳燃料电池堆的结构端板。与铝制端子板相比，这些组件重量减轻了 40%，同时集成了密封表面和流体供应通道等功能特性，从而拓展了 Carbon ID 的目标市场。
航空航天氢推进技术的发展与 Carbon ID 的复合材料验证和产能扩张相结合，使其技术成为零排放航空的潜在推动因素——随着飞机开发项目在未来 5 年内逐步获得认证，这一成果有望惠及整个行业。
