碳纖維增強聚合物氫燃料電池雙極板為航空航天領域提供抗腐蝕解決方案，結合了相互矛盾的性能特性，設計年產能達100萬平方米。

Carbon ID 公司用于氫燃料電池應用的雙極板材料系列

CW曾深入報道過，隨著各國承諾減緩氣候變化，氫能存儲和燃料電池在各類交通應用中的使用日益廣泛。但隨著特朗普將重點放在戰爭和化石燃料上，零排放的迫切性遭受了一些挫折，氫能發展的重心現已轉向航空領域。

然而，燃料電池給航空航天工程師帶來了一個材料悖論。雙極板必須在具備金屬般的導電效率的同時，還能在分子層面阻隔氫氣的滲透。傳統的金屬板雖能有效解決導電性問題，但在燃料電池嚴苛的電化學環境中容易腐蝕，需要依賴昂貴的防護涂層，而這些涂層最終也會失效。復合材料雖具備抗腐蝕、重量輕以及最佳比強度的優勢，但其聚合物基體本質上是絕緣且透氣的。

Carbon ID(法國里昂)這家復合材料初創企業質疑這一矛盾究竟是源于材料選擇還是結構設計。為尋求答案，創始人帕斯卡爾·普洛(Pascal Poulleau)及其團隊開發了多層熱塑性復合材料(TPC)系統，通過離散疊層實現特定功能特性。最終研發的雙極板材料在保持50-200微米厚度(標準生產規格為100微米)完全阻隔Gas滲透的同時，導電性能媲美金屬替代品。

多家原始設備制造商正在驗證該材料用于區域飛機應用，目標是在2030-2035年實現商業化部署。屆時，Carbon ID計劃每年制作100萬平方米的產品，以滿足預期的燃料電池生產需求。

電化學環境

質子交換膜（PEM）燃料電池的爆炸示意圖，展示了汽車應用中典型的電堆設計

雙極板作為燃料電池堆中單體電池間的結構分隔件，同時承擔著向反應位點分配氫氧氣體、傳導電池間電子以及排出反應副產物的功能。其導電性能需接近金屬水平，通常要求厚度方向電阻率低于10毫歐·平方厘米（mΩ·cm2），以最小化數百層堆疊板間的寄生損耗。氣體不滲透性必須防止氫氣交叉滲透，一旦發生此類滲透，不僅會降低系統效率，還將引發安全隱患。

航空航天運行環境帶來了額外的限制：pH值在強酸性與中性條件之間波動，高溫質子交換膜(PEM-proton exchange membrane)系統溫度可達200°C，且每次飛行循環中都會經歷環境溫度與工作溫度之間的熱循環變化。金屬雙極板雖滿足導電性要求，但無法通過耐久性測試—便采用防護涂層，腐蝕往往在數月內就會出現。金涂層能防止腐蝕，但其成本過高且重量超標。此外，區域飛機燃料電池系統若采用全金屬雙極板堆疊，總重量可能超過200公斤。

以往許多復合雙極板的嘗試主要集中在將導電填料以40-60%的填充比例加入熱固性基體中。這些配方雖然實現了有限的導電性，但其導電性能仍比金屬低幾個數量級。熱固性材料的加工工藝限制了制造的可擴展性，其中最廣泛采用的壓縮成型法生產效率不足，難以滿足航空航天領域的要求。

功能層架構

雙極板中的成形流道

Carbon ID的方法源于2021年，當時一家法國能源研究所的研究人員向普洛(Poulleau)展示了腐蝕的金屬雙極板。最初的評估聚焦于幾何可行性，更具體地說，是復合材料工具能否復制復雜的流道幾何形狀。鑒于創始人的航空航天背景，這一點被證明是直截了當的。

需求分析階段出現了根本性挑戰。"我們是復合材料專家，但對電化學領域知之甚少，"普洛解釋道，"經過逐步摸索，我們意識到系統必須達到氫密封標準，耐受化學腐蝕，同時保持與金屬部件相當的導電性。然而聚合物及其復合材料本身是優良絕緣體，這正是核心難點所在。"

團隊并沒有強迫單一材料滿足所有需求，而是重新將雙極板構想為功能性層狀組件。每一層壓板都提供特定性能，通過架構設計而非材料妥協，整個組件滿足所有標準。這種方法延伸了航空航天復合材料的設計原則，即通過定制纖維取向來優化結構性能，使其適應功能需求而非僅機械性能。

"我們不得不深入研究氫能測試標準，并自行搭建了測試平臺來測量電氣性能，"普洛解釋道。"我們充分發揮車間制造能力，設計定制了專用測量夾具，實現了快速迭代。還自制了電阻率測量裝置，使我們能夠逐步進行分析。"

實驗方法類似于配方研發。Carbon ID實驗室變成了配方測試場，研究人員以不同比例混合熱塑性基體、導電填料和增強纖維，加工成約半張A4紙大小的試樣，并測試其電氣、機械和阻隔性能。隨著團隊在創收合同與燃料電池材料研發之間取得平衡，周末加班逐漸成為常態。

為了保持完全復合解決方案的合法性，所有導電添加劑都需要采用非金屬碳基配方。石墨和炭黑增強了導電性，而碳纖維和玻璃纖維增強材料則貢獻了機械性能。熱塑性基體材料的選擇在目標工作范圍內平衡了加工溫度、耐化學性和機械性能。

多層結構

Carbon ID最終確定的材料結構包含多個獨立的TPC層，每層都貢獻特定的性能屬性。雖然Carbon ID根據法國專利和國際專利申請對配方細節保密，但從驗證測試中可以明顯看出其功能性設計原則。

用于雙極板應用的超薄層復合材料

基礎系統采用熱塑性基體，適用于三種工作溫度范圍：100°C用于汽車和固定設備應用，150°C和200°C用于高溫航空航天系統。碳纖維和玻璃纖維增強材料提供了機械完整性和尺寸穩定性。"碳纖維具有高比剛度但會產生各向異性電性能，"普洛強調，"玻璃纖維在需要電氣隔離時能以更低成本實現，但機械性能較低。"

分散在熱塑性基體中的導電電荷提供了貫穿厚度的導電性。石墨和炭黑顆粒形成滲透網絡，在層間傳輸電子。要達到與金屬相當的導電性，需要優化顆粒尺寸分布、接近流變極限的填充分數以及專門的混合工藝，以確保顆粒均勻分散而不結塊。

最具創新性的元素在于解決氣體阻隔問題。"最初，氣體密封性完全不合格，"普洛坦言。"從理論上說，復合材料似乎不是實現氣體密封的理想材料。"Carbon ID的解決方案是采用一種特殊表面層作為分子屏障，在保持導電性的同時防止氫氣滲透。"我們成功將厚度控制在50微米，"普洛指出，"不過100微米才是平衡可操作性與性能的標準規格。"

雙極板適用材料的卷狀生產

制造過程采用了從熱塑性薄膜生產中改良而來的連續加工工藝。原材料進入生產線后，通過疊加層壓、施加熱壓實現固結，最終產出寬度達600毫米的卷材成品。在線質量控制系統持續監測厚度變化與導電率，確保產品符合規格要求。成品卷材隨后進入雙極板熱塑成型工序。裁切好的坯料被加熱至玻璃化轉變溫度以上，隨后通過匹配模具壓印出流道幾何形狀并冷卻成型。整個成型周期僅需數秒，遠低于熱固性材料加工通常所需的數小時，從而實現大批量生產。機器人自動化系統與液壓成型設備提供了航空航天級的精度與重復性。

驗證測試，性能可靠

該性能驗證聚焦于航空航天認證要求，其中30年運行壽命僅為最低可接受的耐久性標準。Carbon ID與多家航空航天原始設備制造商合作，制定了涵蓋四大關鍵領域的測試方案：導電性能、氣體阻隔性、耐化學腐蝕性以及熱循環耐久性。

"厚度方向接觸電阻在標準100微米厚度下測得低于10毫歐·平方厘米，達到甚至超越金屬性能，"普洛強調道，"電導率在從常溫到200℃的完整工作溫度范圍內保持穩定，在模擬數千次飛行循環的熱循環測試中未出現性能衰減。"

氣體滲透性測試測量了壓差條件下的氫氣傳輸速率。"表面阻隔層阻止了氫分子的傳輸，測得的滲透率低于檢測限值，"普洛解釋說。

航空航天領域的耐化學性驗證采用加速老化標準進行資質認證——測試樣品需在高溫高酸性溶液中長時間浸泡，以模擬多年的電化學暴露環境。普洛解釋道："這種方法是將材料置于極高酸度和溫度環境中持續數天，而非數月至數年。"在模擬30年實際使用環境的老化循環測試中，該材料未出現任何可測量的性能退化。

Carbon ID正在進行超越常規測試的高級表征分析。微觀橫截面和光譜技術將檢測酸是否在分子層面發生滲透。"我們將對材料內部進行特定測試，以確認是否有酸滲入熱塑性塑料，"普洛指出，"這些計劃于2025年底完成的研究，將為正式航空認證提供所需的詳細材料科學數據。"

目前已驗證的性能包括熱膨脹特性，相比金屬替代方案具有額外優勢。航空航天燃料電池堆包含數百個帶有彈性密封的雙極板，可防止燃料費泄漏。由于Carbon ID復合材料板的熱膨脹系數顯著低于金屬替代品，它們與密封材料更為匹配，降低了熱機械應力并提高了長期密封可靠性。與金屬雙極板相比，它們還能實現重量減少高達50%，完整的支線飛機燃料電池堆可節省超過100公斤重量，直接有助于提升有效載荷能力和航程性能。

一種厚度為100微米的材料正在千分尺上進行測試生產規模擴展軌跡，需求顯著

Carbon ID的商業化策略轉向航空航天應用，盡管最初關注的是汽車行業。"起初我們認為汽車行業可能會有興趣，他們確實有，但他們更關注的是快速開發出當下可用的燃料電池，而非花時間研發碳雙極板，"普洛解釋道。"汽車行業的時間表似乎優先考慮利用現有金屬技術快速部署，接受腐蝕性限制。"

航空航天領域提出了截然不同的要求。針對30至50座支線飛機的燃料電池系統需比汽車應用大得多，功率輸出達數百千瓦至兆瓦級。"他們可能不相信采用鋼材或鈦金屬制造的大型笨重燃料電池能實現起飛，"普洛指出，"航空航天客戶還要求部件具有30年使用壽命且維護需求極低，這使得防腐蝕復合材料雙極板成為關鍵。"

多家航空航天及電動垂直起降飛行器制造商正在開發氫燃料電池推進系統，目標服役時間設定在2030至2035年間。Carbon ID當前業務覆蓋北美與歐洲客戶，其中美國市場的發展速度最為迅猛。

此外，Carbon ID的生產能力規劃與航空航天需求預測相呼應。該公司目前運營一條年產約10,000米的試驗生產線，用于支持開發項目及資質認證測試。正在建設的新設施將配備2026年投產的600毫米寬連續生產線，計劃在2027年完成材料認證并實現首批客戶交付。

到2030年實現年產能100萬平米的目標，需要多條生產線持續運轉。每架區域飛機的燃料電池堆包含300-800個雙極板，單機材料用量達50-100平米。若每月生產10架飛機，僅單一客戶每月就將消耗約1.2萬平米材料。Carbon ID設定的百萬平米產能目標目前僅服務于兩家已確認的航空航天客戶，顯示出巨大的市場潛力。

Carbon ID目前的商業模式僅定位為原材料制造商。成品材料以卷材形式配對給燃料電池制造商或執行最終板材制造的專業成型分包商。"我們可能會尋找合作伙伴來制造雙極板。我們將專注于成為材料制造商，而非零部件制造商，"普洛明確表示。

用于氫燃料電池應用的碳纖維復合材料終端板

除雙極板外，Carbon ID還開發了復合終端板——這種結構性端板用于封裝燃料電池電堆。與傳統鋁制部件相比，這些組件能實現40%的減重效果，同時集成了密封面和流體供給通道等功能特征，進一步拓展了Carbon ID的可觸達市場空間。

航空航天氫推進技術的發展與Carbon ID復合材料驗證及生產能力擴展相結合，使其技術有望成為零排放航空的潛在推動力。這一成果對于整個行業而言，隨著未來5年內飛機研發項目逐步獲得認證，其重要性將日益顯現。

原文《European Maritime Safety Agency selects Airbus Flexrotor drone》