美國戈爾的GORE-SELECT® 質(zhì)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(yīng)用發(fā)展，成為重型車輛行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的“核心引擎”。

重型車輛——無碳化進(jìn)程的“關(guān)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(nèi)燃機(jī)，僅在2021年，該行業(yè)產(chǎn)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(biāo)，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(qiáng)調(diào)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(jìn)程中，重型車輛（HDV）行業(yè)在無碳化進(jìn)程中扮演著尤為關(guān)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(jù)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?yán)锍虜?shù)預(yù)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(yīng)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(jìn)一步提升商業(yè)氫能車隊的運載能力。氫能卡車已經(jīng)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(nèi)燃機(jī)更快。
 

憑借可預(yù)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(wù)，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(yán)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(zhì)子交換膜燃料電池部件當(dāng)前的耐久性極限和失效機(jī)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(biāo)，強(qiáng)調(diào)了重型車輛相對于輕型車輛在性能標(biāo)準(zhǔn)方面的大幅躍升。系統(tǒng)使用壽命增加近四倍，達(dá)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(shù)和集成策略來實現(xiàn)這些目標(biāo)。
 

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(shè)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(guān)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(xué)反應(yīng)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(yán)酷，在長途重型卡車應(yīng)用中更是如此。為了確保在更長的使用壽命內(nèi)保持穩(wěn)定性能，作為膜電極組件的關(guān)鍵組件，質(zhì)子交換膜的化學(xué)-機(jī)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(xué)損壞。多變的駕駛循環(huán)引起電壓變化，導(dǎo)致材料性能衰減，例如碳載體腐蝕或質(zhì)子交換膜變薄，最終導(dǎo)致性能下降。同時，空氣壓力波動、濕度和溫度循環(huán)（濕熱應(yīng)力）導(dǎo)致機(jī)械性能衰減，并且可能出現(xiàn)裂紋和撕裂，進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)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?fù)?dān)憂，即質(zhì)子交換膜會與污染物接觸更長時間，進(jìn)而加快性能衰減（例如鐵離子充當(dāng) Fenton 反應(yīng)物）。污染物可通過燃料、空氣或燃料電池電堆的其它部件進(jìn)入，因此，確保質(zhì)子交換膜的化學(xué)耐久性至關(guān)重要。鑒于此，戈爾期望產(chǎn)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(shè)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(dǎo)致的動力學(xué)損耗和混合電勢，避免因膜電極組件中催化劑/樹脂反應(yīng)導(dǎo)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(shè)計來看，它由“功能”區(qū)、“結(jié)構(gòu)”區(qū)和“過渡”區(qū)三個區(qū)域組成。“功能”區(qū)為電池產(chǎn)生電能。“結(jié)構(gòu)”區(qū)，為膜電極組件提供化學(xué)-機(jī)械耐久性。而“過渡”區(qū)由功能區(qū)和結(jié)構(gòu)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(kuò)散層，以及決定膜電極組件結(jié)構(gòu)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(xué)污染。因此，要想生產(chǎn)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(shè)計并使用足夠可靠耐用的材料至關(guān)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(yīng)力、氣壓波動的影響。不合理的設(shè)計會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜上出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而引起效率損失、功率密度降低和氣體滲透增加，最終導(dǎo)致燃料電池電堆出現(xiàn)嚴(yán)重故障。
 

結(jié)構(gòu)框架和保護(hù)層可以增加機(jī)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(nèi)部滲透，從而降低化學(xué)污染的機(jī)率。
 

為避免開發(fā)時的權(quán)衡取舍，例如為了提高功率密度而犧牲質(zhì)子交換膜的耐久性，膜電極組件過渡區(qū)中的組件應(yīng)盡可能集成在一起，以便達(dá)到設(shè)計、性能和成本目標(biāo)。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(xué)防護(hù)。多功能組件可幫助工程師和設(shè)計人員設(shè)計出緊湊且可靠的膜電極組件結(jié)構(gòu)。

戈爾質(zhì)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(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)步和創(chuàng)新，質(zhì)子交換膜燃料電池作為取代柴油發(fā)動機(jī)的可解決方案，才開始真正引起人們的關(guān)注。質(zhì)子交換膜在可擴(kuò)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(shù)也已在全球數(shù)以千計的交通運輸應(yīng)用中得到驗證。目前，戈爾是全球唯一將產(chǎn)品全面應(yīng)用于商業(yè)化燃料電池汽車生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜制造商。
 

憑借豐富的經(jīng)驗以及在材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識，戈爾推出了新一代GORE-SELECT® 質(zhì)子交換膜，為質(zhì)子交換膜開創(chuàng)了新的設(shè)計空間。戈爾能夠?qū)①|(zhì)子交換膜電阻或滲透率降低多達(dá)50%，同時絲毫不影響其它特性?這對燃料電池電堆設(shè)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(quán)衡取舍。
 

這些質(zhì)子交換膜由戈爾專有的增強(qiáng)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(zhì)子電阻，從而提高功率。而且，較薄的質(zhì)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(zhì)子交換膜經(jīng)過嚴(yán)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(zhì)子交換膜對濕熱應(yīng)力的耐受性更強(qiáng)：實踐證明，在相對濕度循環(huán)機(jī)械耐久性測試中，其性能超出美國能源部 (DOE) 目標(biāo)的1-3倍。
 

戈爾的先進(jìn)添加劑技術(shù)可以降低化學(xué)污染，延長在長途卡車運輸?shù)葒?yán)酷工作環(huán)境下的使用壽命。這令戈爾質(zhì)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(qiáng)型質(zhì)子交換膜相比，戈爾的增強(qiáng)型質(zhì)子交換膜具有更低的氣體滲透性，可減少由于氣體滲透導(dǎo)致的損壞。
 

【結(jié)尾】
 

憑借深厚的材料專業(yè)知識、供應(yīng)安全性、穩(wěn)定質(zhì)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(zhì)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(shù)，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。