美國戈爾的GORE-SELECT® 質子交換膜憑借其高效能、耐久性等特性，將推動氫燃料電池的應用發(fā)展，成為重型車輛行業(yè)綠色轉型的“核心引擎”。

重型車輛——無碳化進程的“關鍵戰(zhàn)角色”
 

交通運輸行業(yè)在過去幾乎完全依賴于化石燃料和內燃機，僅在2021年，該行業(yè)產生的二氧化碳排放量就占全球總排放量的37%。為實現(xiàn)國際凈零碳排放目標，降低交通運輸行業(yè)的碳排放量顯得尤為迫切，因此，無論如何強調交通運輸業(yè)作為無碳化杠桿的重要性都不為過。
 

在這一進程中，重型車輛（HDV）行業(yè)在無碳化進程中扮演著尤為關鍵的角色。在美國，中型和重型卡車的年度汽車燃料使用量占據總使用量的25%，碳排放則占總排放量的23%。更重要的是，到2050年，年度貨運卡車里程數預期還會大幅增長，這使得其它低碳能源的開發(fā)及商業(yè)化應用刻不容緩。

燃料電池電堆制造商面臨的挑戰(zhàn)
 

氫燃料能夠以更小的重量儲存更多的能量，因而非常適合大型運輸。燃料電池電堆的功率可通過增加額外的燃料電池來提高，而重量卻不會增加太多，從而可進一步提升商業(yè)氫能車隊的運載能力。氫能卡車已經展現(xiàn)出一定的競爭優(yōu)勢，其燃料加注速度甚至比傳統(tǒng)內燃機更快。
 

憑借可預測的商業(yè)化路線，加氫站 (HRS) 運營商能夠采用“中心輻射”模式持續(xù)為燃料電池重型車輛 (HDV) 提供服務，從而快速收回初始投資。
 

但初始車輛成本較高以及材料耐久性欠佳，這兩大問題已為輕型車輛 (LDV) 市場的燃料電池汽車 (FCV) 商業(yè)化帶來很大障礙?而這些問題對于重型車輛 (HDV) 而言則更為嚴峻。
 

重型車輛由于具有不同的駕駛循環(huán)模式和工作條件，以及更長的使用壽命需求，將對質子交換膜燃料電池部件當前的耐久性極限和失效機制提出挑戰(zhàn)。美國能源部 (DOE) 近期公布了氫能8級長途卡車的目標，強調了重型車輛相對于輕型車輛在性能標準方面的大幅躍升。系統(tǒng)使用壽命增加近四倍，達到12年，里程則超過100萬英里。
 

由于重型車輛希望延長使用壽命并提高效率，戈爾需要提供全新的技術和集成策略來實現(xiàn)這些目標。
 

從材料角度而言，作為燃料電池電堆的核心，膜電極組件 (MEA) 的設計和耐久性對于克服這些挑戰(zhàn)，以及交付可靠的高性能燃料電池重型車輛而言至關重要。

膜電極組件——燃料電池的“心臟”
 

膜電極組件（MEA）是氫和氧發(fā)生電化學反應的地方，也是燃料電池電堆的核心。膜電極組件的工作環(huán)境非常嚴酷，在長途重型卡車應用中更是如此。為了確保在更長的使用壽命內保持穩(wěn)定性能，作為膜電極組件的關鍵組件，質子交換膜的化學-機械穩(wěn)定性尤為重要。
 

在工作過程中，膜電極組件可能會受到物理和化學損壞。多變的駕駛循環(huán)引起電壓變化，導致材料性能衰減，例如碳載體腐蝕或質子交換膜變薄，最終導致性能下降。同時，空氣壓力波動、濕度和溫度循環(huán)（濕熱應力）導致機械性能衰減，并且可能出現(xiàn)裂紋和撕裂，進而導致質子交換膜過早失效。此外，重型車輛使用壽命的延長還會引起另一重擔憂，即質子交換膜會與污染物接觸更長時間，進而加快性能衰減（例如鐵離子充當 Fenton 反應物）。污染物可通過燃料、空氣或燃料電池電堆的其它部件進入，因此，確保質子交換膜的化學耐久性至關重要。鑒于此，戈爾期望產品在重型車輛中盡可能做到減少氫氣滲透，從而提高能源效率，延長使用壽命。
 

除此之外，在膜電極組件設計中，燃料電池電堆制造商必須更加專注于減少氣體滲透導致的動力學損耗和混合電勢，避免因膜電極組件中催化劑/樹脂反應導致的局部問題，從而滿足更高的電壓和溫度要求，實現(xiàn)更高的效率。
 

從膜電極組件本身的設計來看，它由“功能”區(qū)、“結構”區(qū)和“過渡”區(qū)三個區(qū)域組成。“功能”區(qū)為電池產生電能。“結構”區(qū)，為膜電極組件提供化學-機械耐久性。而“過渡”區(qū)由功能區(qū)和結構區(qū)組件組成，包含了決定功率密度和能源效率的催化劑層和氣體擴散層，以及決定膜電極組件結構完整性的粘合劑、框架和密封件，并且會直接遭受物理損壞和化學污染。因此，要想生產能夠在惡劣工作條件下保持高輸出的可靠膜電極組件，審慎的MEA設計并使用足夠可靠耐用的材料至關重要。
 

在燃料電池工作過程中，過渡區(qū)也會受到夾緊力、濕熱應力、氣壓波動的影響。不合理的設計會導致質子交換膜上出現(xiàn)裂紋，進而引起效率損失、功率密度降低和氣體滲透增加，最終導致燃料電池電堆出現(xiàn)嚴重故障。
 

結構框架和保護層可以增加機械耐久性，墊圈和可靠密封可以控制外部氣體泄漏，或陽極和陰極之間的內部滲透，從而降低化學污染的機率。
 

為避免開發(fā)時的權衡取舍，例如為了提高功率密度而犧牲質子交換膜的耐久性，膜電極組件過渡區(qū)中的組件應盡可能集成在一起，以便達到設計、性能和成本目標。例如，將密封組件焊接到隔板上，或直接集成到膜電極組件中，從而提供更好的電化學防護。多功能組件可幫助工程師和設計人員設計出緊湊且可靠的膜電極組件結構。

戈爾質子交換膜——破解困局的“密鑰”
 

近年來，隨著戈爾在氫燃料電池質子交換膜（PEM）技術領域實現(xiàn)進步和創(chuàng)新，質子交換膜燃料電池作為取代柴油發(fā)動機的可解決方案，才開始真正引起人們的關注。質子交換膜在可擴展性、耐久性和功率密度等方面的獨特特性，使得這一解決方案對重型長途商業(yè)運輸行業(yè)頗具吸引力。
 

戈爾深耕燃料電池行業(yè)已有近三十年時間，其技術也已在全球數以千計的交通運輸應用中得到驗證。目前，戈爾是全球唯一將產品全面應用于商業(yè)化燃料電池汽車生產的質子交換膜制造商。
 

憑借豐富的經驗以及在材料科學領域的專業(yè)知識，戈爾推出了新一代GORE-SELECT® 質子交換膜，為質子交換膜開創(chuàng)了新的設計空間。戈爾能夠將質子交換膜電阻或滲透率降低多達50%，同時絲毫不影響其它特性?這對燃料電池電堆設計人員而言可謂向前邁出的重大一步，能夠幫助他們避免開發(fā)時的權衡取舍。
 

這些質子交換膜由戈爾專有的增強型膨體聚四氟乙烯 (ePTFE) 薄膜打造，因此可在減小厚度的同時，依舊提供出眾的耐久性或性能，減小厚度可降低質子電阻，從而提高功率。而且，較薄的質子交換膜具有更高的水傳輸率，這樣可以提高性能，特別是在較低的相對濕度 (RH) 下。
 

GORE-SELECT® 質子交換膜經過嚴格測試，即便在極端條件下，也能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的電流輸出。例如，戈爾質子交換膜對濕熱應力的耐受性更強：實踐證明，在相對濕度循環(huán)機械耐久性測試中，其性能超出美國能源部 (DOE) 目標的1-3倍。
 

戈爾的先進添加劑技術可以降低化學污染，延長在長途卡車運輸等嚴酷工作環(huán)境下的使用壽命。這令戈爾質子交換膜能夠有效減少 Fenton 金屬污染，降低氟化物釋放率。與非增強型質子交換膜相比，戈爾的增強型質子交換膜具有更低的氣體滲透性，可減少由于氣體滲透導致的損壞。
 

【結尾】
 

憑借深厚的材料專業(yè)知識、供應安全性、穩(wěn)定質量，以及矢志追求創(chuàng)新的企業(yè)文化，戈爾有能力為客戶提供使用壽命更長且性能更出色的質子交換膜，幫助客戶在這一競爭激烈的行業(yè)，管理和降低總擁有成本 (TCO)。通過這一創(chuàng)新技術，戈爾公司正與客戶攜手，共同塑造一個更加清潔、可持續(xù)的交通運輸未來。