《復合材料世界》報道了儲氫和燃料電池技術在多種交通領域中日益增長的廣泛應用，這是因為各國對“緩解氣候變化”作出了承諾。但是，在特朗普強調軍事和化石燃料的政策背景下，實現“零排放”的緊迫性受到了阻礙，因此，氫能發展的重點現已轉向航空領域。

Carbon ID為氫燃料電池應用提供一系列的雙極板材料（圖片來源：Carbon ID）

然而，燃料電池給航空航天工程師帶來了材料悖論。雙極板必須是極好的導電體，具有金屬般的效率，同時，還要防止氫氣出現分子水平的滲透。傳統的金屬板有效解決了導電性問題，但在燃料電池惡劣的電化學環境中，卻容易受到腐蝕，因此，需要昂貴的保護涂層，而這些涂層最終也會失效。復合材料具有耐腐蝕、重量輕和最佳的比強度等優勢，但其聚合物基體本身是電絕緣的且允許氣體透過。

Carbon ID（法國里昂）是一家復合材料初創公司，質疑這一矛盾究竟源于材料選擇還是結構設計。為了尋找答案，該公司創始人Pascal Poulleau及其團隊開發了一種多層熱塑性復合材料（TPC）系統，在此系統中，每一層材料都負責提供一種特定的功能性能。最終的雙極板材料實現了與金屬雙極板相當的導電性，同時具有完美的氣密性。該雙極板材料厚50-200微米，標準的生產厚度規格為100微米。

目前，已有多家OEMs在驗證該材料，準備將其用于預計于2030-2035年間投入使用的支線飛機。屆時，Carbon ID計劃每年生產100萬平方米的材料，以滿足預計的燃料電池生產需求。

1電化學環境

質子交換膜（PEM）燃料電池分解示意圖，用于汽車應用的電堆設計（圖片來源：IDTechEx）

雙極板作為燃料電池堆內單個電池之間的結構骨架和隔板分離器，將氫氣和氧氣均勻地輸送到整個反應區域，在單個電池之間傳導電子，并去除反應副產物。導電性必須接近金屬水平，通常要求貫穿厚度的電阻率要低于10 毫歐·平方厘米，這樣才能最大程度地減少數百塊疊層板之間的寄生損耗。隔膜材料必須具備極佳的氣體阻隔性，以防止氫氣從一側滲透到另一側。如果發生了氣體滲透，就會降低效率并造成安全隱患。

航空航天運行環境帶來了額外的限制條件：燃料電池內部的化學環境在強酸性和中性之間不斷變化；高溫質子交換膜（PEM）系統中的溫度可達200℃；在每次飛行周期中，系統會經歷從環境溫度到高溫運行溫度之間的反復加熱與冷卻。

金屬雙極板雖然滿足導電性要求，卻不符合耐久性標準，即使有保護涂層，也常常會在短短的幾個月內就開始腐蝕。金涂層能有效防止雙極板的腐蝕，但由于是貴金屬，其成本極高，且金的密度大，會增加系統重量。此外，用于支線飛機燃料電池系統的完整的金屬雙極板電堆，其重量可能超過200公斤。

之前對復合材料雙極板的許多研究嘗試，都側重于將導電填料以40%-60%的高比例添加到熱固性聚合物基體中。這些配方材料只能實現很低的導電性，其導電能力比金屬差好幾個數量級。傳統熱固性復合材料的加工方式還限制了生產的可擴展性，而使用最廣泛的模壓成型工藝也生產效率低下，因此都難以滿足航空航天領域的需求。

2功能層架構

Carbon ID的方法源于2021年，當時，法國一家能源機構的研究人員向Poulleau展示了腐蝕的金屬雙極板。初步評估主要關注形狀可行性，更具體地說，是評估復合材料模具能否復制出復雜的流道結構。鑒于創始人的航空航天背景，這件事顯得非常簡單。

在雙極板上成型的流道（圖片來源：Carbon ID）

根本性挑戰在需求分析階段就浮現出來?！拔覀兪歉銖秃喜牧系娜?，而搞復合材料的人通常對電化學知識了解的不多?！盤oulleau解釋道，“經過逐步分析，我們最終確定，必須能像金屬一樣導電，同時還要能夠密封氫氣和其他流體，并具備耐化學腐蝕性能。而且，制成的聚合物及復合材料要具有極好的絕緣性，所以這就是挑戰所在?！?/p>

該團隊放棄了尋找“萬能材料”的想法，轉而將雙極板概念重新定義為一個多層的功能性組件。每個層壓層都提供特定的性能，完整的組件通過結構設計而非對材料性能的取舍來滿足所有的標準要求。該方法擴展了航空航天復合材料的設計原則，即訂制纖維方向優化結構性能，重點關注功能性而非機械性能。

“我們查閱了大量的氫測試標準，并自制了測試臺來測量電氣性能?！?Poulleau說道，“我們利用車間的制造能力，設計并制造了專用的測量夾具，從而實現了快速迭代。我們自制了電阻率測試設備，能夠進行逐步分析。”

實驗方法類似于食譜開發。Carbon ID實驗室成為一個用于測試不同配方的場所，在此，將熱塑性基體、導電材料和增強纖維以不同的比例混合，加工成尺寸大約為半張A4紙的試樣，然后對這些試樣的電氣性能、機械性能和阻隔性能進行測試和評估。

為了保持作為全復合材料解決方案的合規性，所有的導電添加劑必須采用非金屬的碳基配方。石墨和碳黑增強了導電性，而碳纖維和玻璃纖維增強材料則貢獻了機械性能。對熱塑性基體的選擇要求其在目標使用范圍內要平衡好加工溫度、化學耐受性和機械性能。

3多層結構

Carbon ID的最終材料架構由多個獨立的TPC層組合而成，每一層都貢獻了特定的性能。雖然 Carbon ID 的配方細節受法國專利和國際專利申請的保護，但其功能設計原理可以從驗證測試的結果中清晰地推斷出來。

基礎系統使用熱塑性基體，適用于3種使用溫度范圍：100℃用于汽車和固定設備，150℃和200℃用于高溫航空航天系統。碳纖維和玻璃纖維增強材料提供機械完整性和尺寸穩定性?！疤祭w維具有高的比剛性，但會產生各向異性的電性能?！?Poulleau強調道，“玻璃纖維在需要電氣隔離的地方能以較低的成本提供絕緣性，但機械性能較差。”

專為制造燃料電池雙極板而設計的具有超薄層狀結構的復合材料（圖片來源：Carbon ID）

導電電荷均勻地分散在熱塑性塑料基體中，提供了貫穿厚度的導電性。石墨和碳黑粒子形成滲透網絡，使得電子能夠在層間傳輸。要實現與金屬相當的導電性能，需要優化的顆粒尺寸分布、接近流變極限的添加比例以及能夠均勻分散顆粒且不結團的特殊混合工藝。

最具創新性的部分在于解決了氣密性問題?！捌鸪酰瑲饷苄苑浅２缓??！盤oulleau承認，“從理論上講，復合材料似乎不是提供氣密性的合適材料?！盋arbon ID的解決方案通過施加一個特殊的表面層來起到分子屏障作用，防止氫滲透，同時保持導電性。“我們成功地將這個目標降至50微米，盡管100微米代表了平衡可操作性與性能的標準規格?！盤oulleau表示。

以卷料形式生產適用于雙極板的材料（圖片來源：Carbon ID）

生產則借鑒了塑料薄膜行業成熟的、高效的連續生產線技術。將原料送入生產線中，該生產線組合/疊加層，加熱并加壓以進行固結，輸出的成品材料是卷狀的，其最大寬度可達600毫米。在線質量控制系統持續監測厚度變化和導電率，確保符合規范要求。已加工完成的料卷，通過熱塑性成型工藝被制成雙極板。將切割好的坯料加熱至其玻璃化轉變溫度以上，然后用配套的模具壓制成型，形成所需的流道形狀，最后使其冷卻。整個加工周期只需要幾秒鐘，而不是傳統上加工熱固性材料所需的幾個小時，因而實現了高產率生產。機器人自動化技術與液壓系統確保了航空級別的精度與可重復性。

4驗證測試，獲得證實的性能

性能驗證的重點聚焦于滿足航空航天認證要求，即必須證明能夠安全可靠地運行至少30年，這30年是其耐久性的最低可接受門檻。Carbon ID與多家航空航天OEMs合作，制定了導電性、氣密性、化學抗性和熱循環耐久性等4個關鍵領域的測試協議。

“對于標準的100微米厚度，測得的貫穿厚度的界面接觸電阻低于10毫歐·平方厘米，這一數值達到甚至優于典型金屬的同類性能指標?！盤oulleau強調說，“導電性在從環境溫度到200℃的整個工作溫度范圍內保持穩定，并且在模擬數千次飛行循環的熱循環測試中未出現性能衰減?！?/p>

氣體滲透性測試測量了在不同壓差條件下氫氣的透過率?！氨砻孀韪魧幼柚沽藲浞肿拥耐ㄟ^，測得的滲透率低于儀器可檢測的極限?！盤oulleau解釋道。

化學耐受性驗證依據的是航空航天資格認證中采用的加速老化標準。將測試樣片浸入高溫的強酸溶液中長時間浸泡，以模擬材料在實際電化學腐蝕環境下經過多年才能達到的腐蝕效果。“這種方法是將材料置于極高的酸性環境和極高的溫度下，持續數天，而非數月甚至數年?！盤oulleau介紹說。在模擬30年實際使用環境的老化測試周期中，材料沒有發生任何可測量的性能下降。

盡管如此，Carbon ID仍在開展超越傳統測試的先進表征分析。顯微剖面和光譜技術被用于檢驗酸是否出現分子層面的滲透?！拔覀儠诓牧蟽炔窟M行具體測試，看看是否有酸性物質進入熱塑性塑料?！盤oulleau說道，“這些計劃于2025年底進行的測試，將為正式的航空航天認證提供所需要的詳細的材料科學數據。”

到目前為止驗證的性能表明，其熱膨脹性能相對于金屬替代方案更具優勢。航空航天燃料電池堆由數百個雙極板組成，這些雙極板之間通過彈性體密封件進行密封，以防止反應氣體泄漏。由于Carbon ID的復合材料板表現出比金屬替代品低得多的熱膨脹系數，因而能更好地與密封材料匹配，從而降低熱機械應力并提高長期密封可靠性。與金屬雙極板相比，它們還減輕了50%的重量，這對于一個完整的支線飛機用的燃料電池電堆來說，意味著可以減輕超過100公斤的重量，從而直接有助于提升有效載荷能力和航程性能。

在千分尺上測試的100微米厚的材料（圖片來源：Carbon ID）

5提升產能，滿足強勁的市場需求

盡管最初關注的是汽車領域，但Carbon ID的商業化戰略現已轉向以航空航天應用為重點。“起初，我們認為汽車行業可能會對此感興趣，事實也確實如此，但他們的興趣點在于立即開發出當下就能用的燃料電池，而不是投入時間去研發碳雙極板這種更前沿、但需要長期投入的組件?！盤oulleau解釋道，“汽車行業的發展時間表似乎是優先考慮利用現有的金屬材料技術進行快速部署，而暫時接受金屬材料固有的腐蝕問題?！?/p>

航空航天領域則提出了截然不同的需求。目標為30-50座級別的支線飛機，其所需要的燃料電池動力系統要遠大于汽車應用所需要的，它具有數百千瓦至兆瓦級別的功率輸出?！八麄兛赡懿幌嘈牛褂糜射摶蜮佒瞥傻拇笮?、沉重的金屬燃料電池，能夠成功起飛。”Poulleau說道，“航空航天領域的客戶要求零部件具有30年的使用壽命，且維護需求極低，這使得不腐蝕的復合材料板成為必不可少的材料?！?/p>

多家航空航天和eVTOL的制造商正在開發氫燃料電池推進系統，并計劃在2030-2035年之間投入使用。Carbon ID目前與北美和歐洲的客戶合作，其中發展速度最快的是美國市場。

Carbon ID 的產能規劃是基于對航空航天領域需求的預測而制定的。該公司目前運行著一條中試生產線，年產量約10000平方米，主要用于支持產品開發項目和資格認證測試。一座正在建設的新設施將容納一條600毫米寬的連續生產線，該生產線將于2026年投產，并將于2027年為材料認證和首批客戶交付提供支持。

為了在2030年實現年產100萬平方米的目標，需要多條生產線連續運行。每架支線飛機使用的燃料電池堆含有300-800塊雙極板，意味著每架飛機總計需要50-100平方米的材料。按月產10架飛機計算，每月為一家客戶就要準備大約12000平方米的材料。Carbon ID設定的100萬平方米的目標，目前僅得到兩家已確認的航空航天客戶的支持，這表明其產品具有巨大的市場潛力。

Carbon ID目前的商業模式將其定位為原材料制造商。成品材料以卷料形式運送給燃料電池制造商或專業的成型分包商，由他們進行最終的板材加工?！拔覀兛赡軙ふ乙粋€合作伙伴來開發雙極板，我們的戰略是，專注于成為材料制造商而非零部件制造商?！盤oulleau表示。

用于氫燃料電池應用的碳纖維復合材料端板（圖片來源：Carbon ID）

除了雙極板，Carbon ID還開發了復合材料的端板，即裝有燃料電池堆的結構性端板。這些組件相比鋁制部件減輕了40%的重量，同時集成了密封面和流體供應通道等功能特征，從而拓展了Carbon ID的可覆蓋市場范圍。

航空航天氫推進技術的發展和Carbon ID的復合材料驗證與產能提升的協同作用，使其技術有望成為實現零排放航空的關鍵推動力——這一目標有望在未來5年內，隨著各類飛機研發項目逐步獲得適航認證，而在整個航空領域內顯現出積極的成果。