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，全球风电装机容量已近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、天然气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。

碳纤维纸作为一种高性能复合材料，是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层必不可少的多孔扩散材料。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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