碳纖維是非常重要的無(wú)機(jī)高性能纖維，其首個(gè)市場(chǎng)化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強(qiáng)樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應(yīng)用快速向以航空航天材料為代表的高端化發(fā)展。

【資料圖】

碳纖維最主要的應(yīng)用形式是作為樹脂材料的增強(qiáng)體，所形成的碳纖維增強(qiáng)樹脂（CFRP）具有優(yōu)異的綜合性能，其在導(dǎo)彈、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭，航空器，先進(jìn)艦船，軌道交通車輛，電動(dòng)汽車，卡車，風(fēng)電葉片，燃料電池，電力電纜，壓力容器，鈾濃縮超高速離心機(jī)，特種管筒，公共基礎(chǔ)設(shè)施，醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備，體育休閑產(chǎn)品，以及時(shí)尚生活用具等十六個(gè)領(lǐng)域，有著實(shí)際和潛在的應(yīng)用。

CFRP作為導(dǎo)彈、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭的關(guān)鍵材料

碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有不可替代性。CFRP被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭等航天領(lǐng)域。在導(dǎo)彈武器應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復(fù)合支架、儀器艙、誘餌艙和發(fā)射筒等主次承力結(jié)構(gòu)部件；在空間平臺(tái)應(yīng)用方面，CFRP可確保結(jié)構(gòu)變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環(huán)境耐受性良好，主要用于制造衛(wèi)星和空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機(jī)鏡筒和拋物面天線等結(jié)構(gòu)部件；在運(yùn)載火箭應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級(jí)間段、發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯和噴管等部件。目前，CFRP在航天器上的應(yīng)用已日臻成熟，其是實(shí)現(xiàn)航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關(guān)鍵材料。

CFRP在導(dǎo)彈武器上的應(yīng)用示例

CFRP在衛(wèi)星和空間站上的應(yīng)用示例

CFRP在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用示例

CFRP作為航空器的結(jié)構(gòu)材料

在型先進(jìn)飛機(jī)中，CFRP被廣泛用作主承力結(jié)構(gòu)材料。且在近期研制成功的新型飛艇中，CFRP也被用做結(jié)構(gòu)材料。

20世紀(jì)70年代中期的石油危機(jī)是碳纖維應(yīng)用于飛機(jī)制造的直接原因。為緩解能源危機(jī)，當(dāng)時(shí)的美國(guó)政府啟動(dòng)了“飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃”?，F(xiàn)代飛機(jī)機(jī)身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復(fù)合材料制成。為節(jié)約燃油和提高運(yùn)營(yíng)效益，減輕機(jī)身質(zhì)量一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的核心挑戰(zhàn)之一。而CFRP在飛機(jī)機(jī)身制造上的成熟應(yīng)用為減輕飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量提供了最有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機(jī)（CFRP用量?jī)H占3%）機(jī)身質(zhì)量為60t，而將CFRP用量提升到50%時(shí)，新型飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量下降到48t，僅此就極大地提升了該型飛機(jī)的能源和環(huán)境效益。

波音777X型飛機(jī)和最新投產(chǎn)的波音787型飛機(jī)，機(jī)身復(fù)合材料的用量都達(dá)到了50%。波音777X型飛機(jī)是以波音777飛機(jī)為基型，正在開發(fā)的一種大型雙引擎客機(jī)，首架飛機(jī)于2020年交付投入運(yùn)營(yíng)。波音777X飛機(jī)的主翼由CFRP制成，其翼展長(zhǎng)約72m（235英尺），是目前客機(jī)中翼展最長(zhǎng)的機(jī)型之一。翼展越長(zhǎng)，升力越大，因此，波音777X的單座燃油消耗和運(yùn)營(yíng)成本都非常有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，CFRP機(jī)翼不僅強(qiáng)度高、柔性好，且末端可折疊，這樣多數(shù)機(jī)場(chǎng)都能滿足其寬翼展的停機(jī)需求。波音787飛機(jī)的主翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)都采用日本東麗公司的碳纖維預(yù)浸料制造。2005年11月，東麗公司與美國(guó)波音公司簽署了一項(xiàng)為期10年的協(xié)議，為波音787夢(mèng)想號(hào)飛機(jī)提供碳纖維預(yù)浸料。2015年11月9日，東麗公司宣布與美國(guó)波音公司達(dá)成綜合協(xié)議，將為波音公司生產(chǎn)的787和777X兩型飛機(jī)提供碳纖維預(yù)浸料。波音公司計(jì)劃提高787飛機(jī)的月產(chǎn)量，將從2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同時(shí)，大型模塊的比率也將提高，這將極大地促進(jìn)對(duì)CFRP的需求。為保證波音787飛機(jī)月產(chǎn)量達(dá)12架后的材料供應(yīng)，東麗復(fù)合材料（美國(guó)）公司已于2016年1月完成了擴(kuò)產(chǎn)；同時(shí)，日本東麗公司決定在斯帕坦堡縣廠區(qū)內(nèi)建設(shè)包含原絲、碳纖維和預(yù)浸料在內(nèi)的一體化生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能為2000t，這是東麗公司首次在美國(guó)建設(shè)一體化的碳纖維生產(chǎn)線，以用于研發(fā)波音777X飛機(jī)和滿足月產(chǎn)14架波音787飛機(jī)的需求。

CFRP在大型客機(jī)機(jī)身及承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2016年8月17日，英國(guó)研制的大型飛艇完成了其處女航。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器，被設(shè)計(jì)用來執(zhí)行偵察、監(jiān)視、通信、貨物與救援物資的運(yùn)輸，以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的聚芳酯織物作蒙皮，蒙皮內(nèi)充滿了帶壓氦氣；其形狀結(jié)構(gòu)材料采用CFRP，最大化地減輕了飛艇自身質(zhì)量。無(wú)人值守的情況下，該飛艇一次可最長(zhǎng)在空中漂浮5天。

英國(guó)最新研制的大型飛艇

CFRP作為先進(jìn)艦船船體結(jié)構(gòu)

CFRP對(duì)提高艦船的結(jié)構(gòu)、能耗和機(jī)動(dòng)性能等非常明顯。

瑞典在船艇制造技術(shù)方面有著傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，其夾層復(fù)合材料技術(shù)居世界一流水平，較早便采用CFRP技術(shù)研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍護(hù)衛(wèi)艦是世界第一艘在艦體結(jié)構(gòu)中采用CFRP的海軍艦艇。該艦長(zhǎng)73.0m、寬10.4m、吃水深度2.4m、排水量600t；艦體采用C

FRP夾層結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高硬度、低質(zhì)量、耐沖擊、低雷達(dá)和磁場(chǎng)信號(hào)，以及吸收電磁波等優(yōu)異性能。

CFRP在艦船船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于成本原因，雖船舶中大量使用CFRP還有待時(shí)日，但其已實(shí)際用于制造民用新概念船艇和軍用艦船關(guān)鍵部件。2010年，德國(guó)Kockums公司制造了一條幾乎全部采用CFRP的新概念太陽(yáng)能探險(xiǎn)船。該船長(zhǎng)31.0m、寬15.0m，以太陽(yáng)能為動(dòng)力。2010年9月27日，瑞典探險(xiǎn)家駕駛該船出海，開始環(huán)球探險(xiǎn)航行。

CFRP在新概念船艇中的應(yīng)用

CFRP還已用于艦船推進(jìn)器葉片、一體化桅桿和先進(jìn)水面艦艇上層建筑的制造。

低噪聲、安靜運(yùn)行是軍用艦船領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)，是艦船（特別是潛艇）性能的關(guān)鍵指標(biāo)。因?yàn)槁菪龢咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其槳葉片上會(huì)產(chǎn)生時(shí)滅的空泡，導(dǎo)致槳葉剝蝕，并伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。CFRP葉片不僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動(dòng)和水下特性、減少燃油消耗。

CFRP用于制造潛艇和貨輪推進(jìn)器系統(tǒng)的螺旋槳槳葉（a為以色列潛艇所用螺旋槳；b為CFRP大型貨輪螺旋槳）

CFRP用于制造游艇的推進(jìn)器系統(tǒng)（英國(guó)羅伊斯羅爾斯公司為班尼蒂游艇生產(chǎn)）

此外，隱身也是評(píng)價(jià)軍用艦船先進(jìn)性水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。提高隱身性能必須減小艦船體的雷達(dá)反射截面，并降低其光學(xué)特性。在過去，艦船上層建筑上都豎立著多根掛滿各種鞭狀和條狀的天線桅桿，它們極大地阻礙了艦船在探測(cè)設(shè)備中的隱身能力。1995年，美軍開始研究一體式桅桿系統(tǒng)，其將各種天線設(shè)計(jì)成平面形或球形陣列，并集成于采用能反射電波的復(fù)合材料制成的一體式桅桿系統(tǒng)中，可防風(fēng)雨和鹽霧的侵害。且更進(jìn)一步的是，美軍下一代作戰(zhàn)艦艇的整個(gè)上層建筑都采用復(fù)合材料制造。

該艦是美國(guó)海軍的下一代主戰(zhàn)艦艇，其集成了當(dāng)今最尖端的海軍艦船技術(shù)，艦體造型、電驅(qū)動(dòng)力、指揮控制、情報(bào)通信、隱身防護(hù)、偵測(cè)導(dǎo)航、火力配置等性能均具超越性。特別值得注意的是，該艦上層建筑及內(nèi)嵌天線系統(tǒng)由美國(guó)雷神公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造，采用了一體化模塊式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐銹蝕、透波性好，具有極佳的隱身性能，被發(fā)現(xiàn)概率低于10%。

特級(jí)驅(qū)逐艦及施工中的復(fù)合材料上層建筑

CFRP作為軌道交通車輛的車體結(jié)構(gòu)

輕量化是減少列車運(yùn)行能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。金屬制造的軌道列車，雖車體強(qiáng)度高，但質(zhì)量大、能耗高。

CFRP是新一代高速軌道列車車體選材的重點(diǎn)，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進(jìn)高速運(yùn)行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強(qiáng)安全性。當(dāng)前，CFRP在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)：從車箱內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體、構(gòu)架等承載構(gòu)件擴(kuò)展；從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向頂蓋、司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展；以金屬與復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，CFRP用量大幅提高。

1節(jié)地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例，其中車身質(zhì)量約占36%、車載設(shè)備約占29%、內(nèi)部裝飾約占16% 。由于車載設(shè)備幾乎沒有減重空間，因此，車身和內(nèi)部裝飾就成為了輕量化的重點(diǎn)對(duì)象。2000年，法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司采用碳纖維復(fù)合材料研制出雙層 TGV型掛車；韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院以此為基礎(chǔ)，研制出運(yùn)行速度為180km/h 的TTX型擺式列車車體，其采用不銹鋼增強(qiáng)骨架，側(cè)墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用CFRP構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，車體外殼總質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)降低了40%，且車體強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、動(dòng)態(tài)特性等性能良好，并于2010年投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例

TTX型擺式列車車體

2011年，韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院（KRRI）研制出CFRP地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，質(zhì)量為 635kg，比鋼質(zhì)構(gòu)架的質(zhì)量減少約30%。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（JRTI）與東日本客運(yùn)鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂，使每節(jié)車箱減輕300~500kg。2014 年9月，日本川崎重工（Kawasaki）研制的 CFRP 構(gòu)架邊梁，其質(zhì)量比金屬梁減少約40%。

CFRP作為電動(dòng)汽車的車體結(jié)構(gòu)

材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于材料對(duì)汽車輕量化和降低生產(chǎn)成本的研究表明，汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗可降低6%?，F(xiàn)有材料中，CFRP的輕量化效果最好；加之，汽車設(shè)計(jì)和復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展。這些都使得CFRP在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期。

某型號(hào)車的推出引領(lǐng)了這一潮流。2008年在慕尼黑召開會(huì)議，目的是讓城市交通技術(shù)發(fā)生徹底的變革，其建立了一個(gè)“i計(jì)劃（Project i）”的智庫(kù)，唯一的任務(wù)就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，該智庫(kù)形成了一個(gè)全新的節(jié)能概念——“有效動(dòng)力愿景”，奠定了公司后續(xù)研究的思想基礎(chǔ)，它要求對(duì)車身和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以達(dá)到全新的節(jié)能性，而此前的想法都是將已有的節(jié)能技術(shù)集成到既有的模板中。2011年，公司確立了“天生電動(dòng)，其讓人們?cè)谌粘ｑ{駛出行中用上了全電動(dòng)能源；同年，第一款全電動(dòng)概念車實(shí)現(xiàn)技術(shù)演示。2012年，兼具高能效和更優(yōu)異運(yùn)動(dòng)跑車性能的概念車推出，其采用CFRP、鋁和鈦等輕質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了突破意義的減重；同年，全新電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推出，實(shí)現(xiàn)了零排放。推出新型車，該車整車質(zhì)量?jī)H1245kg，一次充電續(xù)航里程可達(dá)200km，且百公里加速時(shí)間7.3s，靈活性獨(dú)特。

未來互動(dòng)愿景概念車

其中，采用“LifeDrive”模塊化車身架構(gòu)設(shè)計(jì)，由乘員座艙（Life）模塊和底盤驅(qū)動(dòng)（Drive）模塊兩部分組成。乘員座艙模塊又稱生命模塊，其構(gòu)成駕乘人員的乘用空間，采用CFRP制成的生命模塊，質(zhì)量輕、安全性非常高，且乘用感寬敞、均稱。底盤驅(qū)動(dòng)模塊又稱eDrive驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由鋁合金制成，集成了電機(jī)（最大功率125kW，最大扭矩250N·m）、電池和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力部件。

車體上部的生命模塊

公司通過與SGL汽車用碳纖維材料公司合作，歷經(jīng)10多年研發(fā)，開始生產(chǎn)自己所需的碳纖維。其新型車中生命模塊的制造工藝：將碳纖維織成織物后浸潤(rùn)于專用樹脂中，制成預(yù)浸料；將預(yù)浸料熱定型成剛性車身零件；采用專門開發(fā)的技術(shù)，將車身零件全自動(dòng)地黏合成完整的車身部件。所得CFRP車身具備極高的抗壓強(qiáng)度，能承受更快的加速度，整車的敏捷性和路感都非常好。

CFRP車體制造工藝

CFRP作為新概念貨運(yùn)卡車的車體結(jié)構(gòu)

世界零售業(yè)巨頭沃爾瑪公司在美國(guó)擁有1支由近6000輛貨車組成的卡車車隊(duì)，它們會(huì)將產(chǎn)品送至遍布于美國(guó)的數(shù)千家門店。該車隊(duì)為保持持續(xù)的生存能力和效率，一直以“行駛里程更少，運(yùn)輸量更多”為目標(biāo)，依靠提高司機(jī)駕駛技術(shù)、采用先進(jìn)牽引掛車、改進(jìn)過程與系統(tǒng)籌劃等措施，實(shí)現(xiàn)2007-2015年間車隊(duì)行駛超480萬(wàn)km，運(yùn)送集裝箱數(shù)超8億，運(yùn)輸效率較2005年提高84.2%。

其中，牽引掛車的性能對(duì)實(shí)現(xiàn)“多拉少跑”的目標(biāo)關(guān)系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“先進(jìn)車輛體驗(yàn)”的新概念卡車研究計(jì)劃。已研制的新概念卡車集成了空氣動(dòng)力學(xué)、微型渦輪混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣化、先進(jìn)控制系統(tǒng)，以及CFRP車體等前沿技術(shù)。主要技術(shù)創(chuàng)新：先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，整體造型優(yōu)雅，氣動(dòng)性能較現(xiàn)行的386型卡車提高20%；微型渦輪混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)清潔、高效、節(jié)油；司機(jī)座位設(shè)計(jì)于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤可提供定制化的量程和性能數(shù)據(jù) ；滑動(dòng)型車門和折疊型臺(tái)階提高了安全和安保性能；空間寬敞的駕駛室設(shè)有帶折疊床的可伸縮臥室。牽引掛車的整個(gè)車身采用CFRP制成，頂部和側(cè)墻均采用16.2m（53英尺）長(zhǎng)的單塊板材，其優(yōu)異的力學(xué)性能可確保車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；采用先進(jìn)黏結(jié)劑黏合，最大限度地減少了鉚釘數(shù)量；凸鼻形的造型設(shè)計(jì)可在充分保證載貨容量的前提下，有效提高氣動(dòng)性能；低剖面LED燈光更節(jié)能、耐用。

新概念卡車

目前，該計(jì)劃已完成84%的任務(wù)量，但仍有許多創(chuàng)新性技術(shù)有待繼續(xù)研發(fā)?？梢灶A(yù)見，沃爾瑪公司的新概念卡車對(duì)推進(jìn)卡車技術(shù)的進(jìn)步和拓展碳纖維的應(yīng)用，有非常大的作用。

CFRP作為風(fēng)電葉片的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)能是最具成本優(yōu)勢(shì)的可再生能源，風(fēng)能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展。

為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，增大單機(jī)容量和減輕單位千瓦質(zhì)量是關(guān)鍵。20世紀(jì)90年代初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量?jī)H為500kW，而如今，單機(jī)容量10MW的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都已產(chǎn)品化。風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長(zhǎng)度隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長(zhǎng)。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需安裝更大的葉片。因葉片長(zhǎng)度的問題，業(yè)界就是否需發(fā)展10MW及以上能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)存有爭(zhēng)議，但主流觀點(diǎn)是需要發(fā)展的。相關(guān)人員認(rèn)為：面積與體積的關(guān)系的科學(xué)定律將最終限制葉輪直徑的不斷增長(zhǎng)，但目前還未達(dá)到極限，制造10MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)在技術(shù)上是可行的；且從運(yùn)營(yíng)效益上看，降低每兆瓦時(shí)的運(yùn)營(yíng)成本，必須提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量。

葉片直徑的增長(zhǎng)過程

葉輪直徑的增加對(duì)葉片的質(zhì)量及抗拉強(qiáng)力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的性能不足。但長(zhǎng)期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關(guān)鍵部位。近年，隨著碳纖維價(jià)格穩(wěn)中有降，加之葉片長(zhǎng)度進(jìn)一步加長(zhǎng)，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。2014年，成功研制出國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的6 MW風(fēng)機(jī)葉片，該葉片全長(zhǎng)77.7m、質(zhì)量28t，其中主梁由5t的國(guó)產(chǎn)CFRP制成。如采用GFRP設(shè)計(jì)，則該葉片質(zhì)量將約達(dá)36t。

6 MW風(fēng)機(jī)葉片加工與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

碳纖維紙作為燃料電池的電極氣體擴(kuò)散材料

燃料電池是指不經(jīng)過燃燒，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學(xué)反應(yīng)，將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種備受矚目的清潔能源技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率非常高（除10%的能量以廢熱形式浪費(fèi)外，其余的90%都轉(zhuǎn)化成了可利用的熱能和電能）且環(huán)境友好；而相較之下，使用煤、天然氣和石油等化石燃料發(fā)電時(shí)，60%的能量以廢熱的形式浪費(fèi)，還有7%的電能浪費(fèi)在傳輸和分配過程中，只有約33%的電能可以真正用到用電設(shè)備上。

燃料電池與化石燃料發(fā)電利用率的比較

各類燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的功率密度大、能量轉(zhuǎn)換率高、低溫啟動(dòng)性最好，且體積小、便攜性好，是理想的汽車用電源。質(zhì)子交換膜燃料電池由陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極這3個(gè)主要部分組成，其工作原理：

（1）陰極將液氫分子電離。液氫流入陰極時(shí)，陰極上的催化劑層將液氫分子電離成質(zhì)子（氫離子）和電子。

（2）氫離子通過電解質(zhì)。位于中央?yún)^(qū)域的電解質(zhì)允許質(zhì)子通過到達(dá)陽(yáng)極。

（3）電子通過外部電路。由于電子不能通過電解質(zhì)，只能通過外部電路，故而形成了電流。

（4）陽(yáng)極將液氧電離。液氧通過陽(yáng)極時(shí)，陽(yáng)極上的催化劑層將液氧分子電離成氧離子和電子，并與氫離子結(jié)合生成純水和熱；陽(yáng)極接受電離所產(chǎn)生的電子?？蓪⒍鄠€(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池連接起來組成燃料電池組，可提高電能的輸出量。

燃料電池工作機(jī)理

美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司是全球軍民用燃料電池產(chǎn)品技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)。聯(lián)合技術(shù)動(dòng)力公司原是一個(gè)業(yè)務(wù)部門，其產(chǎn)品廣泛用于航天器、潛艇、建筑、公交巴士和家用汽車等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代早期，公司便已制造出大型固定式燃料電池電站，并投入商業(yè)化運(yùn)行。此后10多年，公司都在致力于公交巴士和家用汽車用燃料電池技術(shù)的研發(fā)。

2008年以來，由于突破了成本和壽命等技術(shù)瓶頸，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。美國(guó)巴拉德動(dòng)力公司研制生產(chǎn)的FCveloCity?型燃料電池，是專為公交巴士和輕軌研制的第七代可擴(kuò)展式模塊化燃料電池，使用該燃料電池可組成30~200kW的電源。2015年6月上市的85kW級(jí)的FCveloCity?型燃料電池，主要用于電動(dòng)公交巴士。

85kW級(jí)的FCveloCity?型燃料電池

模塊化燃料電池的應(yīng)用示例

碳纖維紙作為一種高性能復(fù)合材料，是制造燃料電池質(zhì)子交換膜電極中氣體擴(kuò)散層必不可少的多孔擴(kuò)散材料。氣體擴(kuò)散層（GDL）構(gòu)成氣體從流動(dòng)槽擴(kuò)散到催化劑層的通道，是燃料電池的心臟，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨板的橋梁。氣體擴(kuò)散層可幫助催化劑層外部生成的副產(chǎn)品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，確保膜的導(dǎo)電率；燃料電池運(yùn)行過程中，幫助維持熱傳導(dǎo)；此外，提供足夠的力學(xué)強(qiáng)度，在吸水?dāng)U展時(shí)保持膜電極組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

燃料電池用碳纖紙、碳纖布和碳纖板

在質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時(shí)使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴(kuò)散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動(dòng)汽車約需消耗碳纖維紙100m2（即8kg）。

法國(guó)阿爾斯通公司發(fā)布了其最新研制的全球首輛液氫燃料電池電動(dòng)火車。該車屬阿爾斯通公司的區(qū)域型列車，最新發(fā)布的液氫燃料電池電動(dòng)火車全部采用成熟技術(shù)研制，車頂裝有氫燃料電池，乘客艙底部裝有鋰電池、變流器和電動(dòng)機(jī)，它將開辟燃料電池更大的應(yīng)用市場(chǎng)空間，促進(jìn)碳纖維紙技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

全球首創(chuàng)的氫燃料電池動(dòng)力火車

關(guān)鍵詞： 技術(shù)進(jìn)展 應(yīng)用領(lǐng)域