再生碳纤维应用到氢燃料电池，重量减50%、容量提高30%
撰文 | 李梅
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第209篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的装置。氢燃料电池对环境无污染，被认为是真正意义上“零排放”的清洁能源运用场景。
从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。在新一轮能源革命驱动下，发达国家或地区积极发展“氢能经济”，为了支撑实现低碳、清洁发展模式，世界各国开始高度重视氢燃料电池技术。
在氢燃料电池和储能方面，双极板是燃料电池组的关键部件。双极板的质量占燃料电池堆的60~80%，成本占20~40%，并且几乎占据了整个燃料电池堆的全部体积。
双极板的作用是将燃料电池内产生的电流传递到整个电堆，确保氢气和水的正确流动，并保持整体结构，所有这些都能经受住内部的高温和腐蚀条件。
根据材料不同，目前，双极板主要分为石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板，它们都各有优缺点。
比如，石墨双极板的导电和导热性都比较好，尤其是具有较高的耐腐蚀性和耐久性能，但其劣势也同样明显，石墨抗弯强度低，材料脆性大，造成石墨双极板厚度大，电池体积比功率低，而且加工成本高，周期长，目前难以满足大批量生产的要求。
而不锈钢材料虽然具有较高的机械强度和优良的体相电导与热导，可加工成薄板，成本较低。但是，单纯不锈钢材料制作的双极板在燃料电池使用环境中，表面会产生导电性差的氧化物，增加电极和双极板的接触电阻，不锈钢材料发生腐蚀，镍、铬、铁等组分溶出极板，金属离子污染电极，显著增加电池的欧姆阻抗和电荷转移阻抗，从而影响燃料电池的耐久性。
为了改进燃料电池的效率，各大公司对于双极板材料的开发和研究也从未停止过。
近日，美国一家高性能材料公司——波士顿材料公司（Boston Materials）和总部位于巴黎的先进材料专家Arkema公司发布了一款由100%再生碳纤维制成的新型双极板，增加了燃料电池的容量，有望颠覆蓬勃发展的氢燃料电池市场，刷新行业的成本和重量目标。
图说：ZRT薄膜
来源：波士顿材料公司
01
100%再生碳纤维制造轻质双极板
“双极板占总堆叠重量的80%，使用波士顿材料公司的ZRT制造的板材比现有的不锈钢板轻50%以上。这种重量减轻使燃料电池的容量增加了30%。”波士顿材料公司表示。他们正在使用一种真正可扩展的z轴碳纤维技术来改善先进的轻质材料的质量，该技术使用100％的回收原料。
双极板是燃料电池重要部件之一，如果把燃料电池电堆看作人体，那么双极板就相当于人体的骨骼和血管。它的功能是支撑膜电极（MEA），膜电极主要由质子交换膜(MEM)、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)等部件组成，常规厚度0.4～0.5mm，没有足够的自支撑刚度和强度。
图片来源于网络
详细来说，双极板通常是由刚性材料制成，零件的抗压强度高于膜电极，可以起到支撑膜电极的作用。双极板就像电堆(发生电化学反应场所，燃料电池动力系统核心部分)的“骨骼”，支撑着电堆的软组织“膜电极”。提供气体流道，使燃料电池内产生的电流通过整个电堆，防止电池气室中的氢气与氧气串通，确保氢气和水的适当流动并保持整体结构，形成氢气流和水流，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。
双极板同时是电堆的血管，将燃料（氢气）和氧化剂（氧气）输送到电堆的组织“膜电极”，使得氢气和氧气在电极发生反应，产生电能。
双极板的公用管道像人体的主动脉和主静脉，将氢气和氧气输送到电堆的每个单电池。而双极板的流道像人体的毛细血管，将氢气和氧气输送到单电池电极的每一个角落，使他们能够充分反应。同时承受内部高温和腐蚀条件。在保持一定机械强度和良好阻气作用的前提下，双极板厚度应尽可能地薄，以减少对电流和热的传导阻力。不仅如此，双极板需要是热的良导体，以确保电池在工作时温度分布均匀，使电池的废热顺利排出。可以看出双极板的作用是非常重要的，好的材料可以更好地发挥燃料电池的性能，还可以开发出更大的利用空间。
由波士顿材料公司生产的100%再生碳纤维制成的新型双极板就是非常好的材料，他们使用获得专利的z轴碳纤维技术，使研磨的碳纤维在“z”方向上磁对齐，以提供不寻常的多层复合强度，层间强度提高30%。
来源：波士顿材料公司
该工艺可使回收的碳纤维垂直取向，以生产称为ZRT的复合膜和片材产品，在其中使用了一种真正可扩展的Z轴碳纤维技术来改善先进的轻质材料的质量，由于材料质量的减轻，制成的双极板的质量也会随之减轻，使得双极板体积变小，这样燃料电池的容量就增加了，解决了传统二维复合材料的性能限制。
这种新的三维增强预制件具有增强的层流和Z轴性能，以低切换成本提供性能和功能。该技术提高了韧性和强度，并允许提高电导率和导热率，当它制成双极板时，强度大，导电性好的功能就会得以发挥。
这种材料也是采用 100% 回收原料制成，是最早结合高性能和可持续性的材料之一。
02
碳纤维的复合材料崛起
根据不同规格，目前双极板成本占电池总成本的10-30％之间。另一方面，因为石油、煤炭、天然气等化石燃料资源耗竭和严重的环境问题，需要交通车辆、飞行器等轻量化以实现更高的能源利用效率。
所以碳纤维材料崛起，当含有碳纤维的复合材料在轻量化领域受到关注时，其导电、耐腐蚀、高机械强度也不免在燃料电池领域也受到了重视。它可以弥补不锈钢的很多缺点，碳纤维主要由碳元素组成，具有密度小、耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。其外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。
碳纤维直径只有5微米，相当于一根头发丝的十到十二分之一，强度却在铝合金4倍以上。所以对于不锈钢板来说，碳纤维制成的新型双极板质量比较轻，增加了燃料电池的容积。由此可以看出，碳纤维是制作双极板的优良选择。
而由100%再生碳纤维制成的新型双极板优势不只包括可持续性，还可以降低成本。再生碳纤维就是指将碳纤维生产废料及报废或者达不到使用要求的碳纤维产品进行回收，通过回收利用技术再次生产的碳纤维。
碳纤维工艺复杂、生产成本高，随着碳纤维产品的不断应用，碳纤维废料和报废碳纤维产品也越来越多，但直接销毁，不免会造成很多的资源浪费，在此时碳纤维回收和再利用的价值也就越来越大。所以对于掌握了100%再生碳纤维新型双极板的技术对于企业来说，这将成为一项关键性技术。
波士顿材料公司以较低的成本交付性能卓越的产品，从而为客户创造了清晰的投资回报率。该团队精心设计了产品，以扩大现有供应链，为z轴碳纤维成为下一代大批量消费和工业产品中的突破性金属替代品铺平了道路。与此同时，波士顿材料公司的产品通过减少对原始材料的依赖，促进了循环经济以及继续使复合材料扩散以使工业脱碳，从而为环境带来了可观的回报。
对于再生碳纤维与双极板的结合，它不仅会得到金融业及政府研究奖励措施的支持，而且制造商希望采用绿色生产工艺及制造绿色产品的愿望也会促进碳纤维回收利用项目的发展。不管从商业角度，还是零碳角度，它的发展前景都是巨大的。
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参考资料：
[1]https://www.world-energy.org/article/24704.html
[2]https://www.sohu.com/a/546378013_167954
[3]https://www.bomaterials.com/products/
[4]https://www.autolightweight.com/article-345342-1.html
[5]https://www.autolightweight.com/article-346113-1.html
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