碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展（四）

7  CFRP作为风电叶片的增强结构

风能是具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月，***风电装机容量已近4 270亿MW。并据预测，2020年前，新增风电装机能力将按25%的年增长率递增；到2020年，风力发电量将占世界总发电量的11.81%。

为提高风力发电机的风能转换效率，增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期，风电机组单机容量仅为500 kW，而如今，单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片。但因叶片长度的问题，业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点是需要发展的。

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料（GFRP）的性能不足。但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步加长，CFRP的应用部位增加，用量也有较大提升。

8 碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料

燃料电池是指不经过燃烧，直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作，其利用电化学反应，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，是一种备受瞩目的清洁能源技术，转化效率非常高（除10%的能量以废热形式浪费外，其余的90%都转化成了可利用的热能和电能）且环境友好；而相较之下，使用煤、***和石油等化石燃料发电时，60%的能量以废热的形式浪费，还有7%的电能浪费在传输和分配过程中，只有约33%的电能可以真正用到用电设备上。

各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的功率密度大、能量转换率高、低温启动性较好，且体积小、便携性好，是理想的汽车用电源。质子交换膜燃料电池由阴极、电解质和阳极这3个主要部分组成，其工作原理：

（1）阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时，阴极上的催化剂层将液氢分子电离成质子（氢离子）和电子。

（2）氢离子通过电解质。位于中央区域的电解质允许质子通过到达阳极。

（3）电子通过外部电路。由于电子不能通过电解质，只能通过外部电路，故而形成了电流。

（4）阳极将液氧电离。液氧通过阳极时，阳极上的催化剂层将液氧分子电离成氧离子和电子，并与氢离子结合生成纯水和热；阳极接受电离所产生的电子。可将多个质子交换膜燃料电池连接起来组成燃料电池组，可提高电能的输出量。

碳纤维纸作为一种***复合材料，是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层***的多孔扩散材料。气体扩散层（GDL）构成气体从流动槽扩散到催化剂层的通道，是燃料电池的心脏，是膜电极组（MEA）中非常重要的支撑材料，其主要功能是作为连接膜电极组和石墨板的桥梁。气体扩散层可帮助催化剂层外部生成的副产品——水尽快流走，避免积水造成溢流；还可帮助在膜的表面保持一定水份，确保膜的导电率；燃料电池运行过程中，帮助维持热传导；此外，提供足够的力学强度，在吸水扩展时保持膜电极组的结构稳定性。

在质子交换膜燃料电池和直接燃料电池中，同时使用碳纤维纸和碳纤维布作为气体扩散层的综合效果更好。每辆燃料电池电动汽车约需消耗碳纤维纸100 m2（即8 kg）。

（后续请见碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(五)）

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