2025年，交通運(yùn)輸體系的綠色低碳轉(zhuǎn)型成為政策焦點(diǎn)之一，是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。在“雙碳”目標(biāo)與國(guó)七排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的雙重驅(qū)動(dòng)下，氫燃料電池技術(shù)被列為重型車輛零碳轉(zhuǎn)型的重要路徑。

美國(guó)戈?duì)柕腉ORE-SELECT? 質(zhì)子交換膜憑借其高效能、耐久性等特性，將推動(dòng)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(wú)碳化進(jìn)程的“關(guān)鍵戰(zhàn)角色”

交通運(yùn)輸行業(yè)在過(guò)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(shí)現(xiàn)國(guó)際凈零碳排放目標(biāo)，降低交通運(yùn)輸行業(yè)的碳排放量顯得尤為迫切，因此，無(wú)論如何強(qiáng)調(diào)交通運(yùn)輸業(yè)作為無(wú)碳化杠桿的重要性都不為過(guò)。

在這一進(jìn)程中，重型車輛（HDV）行業(yè)在無(wú)碳化進(jìn)程中扮演著尤為關(guān)鍵的角色。在美國(guó)，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(yùn)卡車?yán)锍虜?shù)預(yù)期還會(huì)大幅增長(zhǎng)，這使得其它低碳能源的開(kāi)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?jī)?chǔ)存更多的能量，因而非常適合大型運(yùn)輸。燃料電池電堆的功率可通過(guò)增加額外的燃料電池來(lái)提高，而重量卻不會(huì)增加太多，從而可進(jìn)一步提升商業(yè)氫能車隊(duì)的運(yùn)載能力。氫能卡車已經(jīng)展現(xiàn)出一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(cè)的商業(yè)化路線，加氫站 (HRS) 運(yùn)營(yíng)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(wèn)題已為輕型車輛 (LDV) 市場(chǎng)的燃料電池汽車 (FCV) 商業(yè)化帶來(lái)很大障礙?而這些問(wèn)題對(duì)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(zhǎng)的使用壽命需求，將對(duì)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(guó)能源部 (DOE) 近期公布了氫能8級(jí)長(zhǎng)途卡車的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)了重型車輛相對(duì)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(guò)100萬(wàn)英里。

由于重型車輛希望延長(zhǎng)使用壽命并提高效率，戈?duì)栃枰峁┤碌募夹g(shù)和集成策略來(lái)實(shí)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(jì)和耐久性對(duì)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(zhǎng)途重型卡車應(yīng)用中更是如此。為了確保在更長(zhǎng)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(guò)程中，膜電極組件可能會(huì)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(shí)，空氣壓力波動(dòng)、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(guò)早失效。此外，重型車輛使用壽命的延長(zhǎng)還會(huì)引起另一重?fù)?dān)憂，即質(zhì)子交換膜會(huì)與污染物接觸更長(zhǎng)時(shí)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(guò)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?duì)柶谕a(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(zhǎng)使用壽命。

除此之外，在膜電極組件設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)損耗和混合電勢(shì)，避免因膜電極組件中催化劑/樹(shù)脂反應(yīng)導(dǎo)致的局部問(wèn)題，從而滿足更高的電壓和溫度要求，實(shí)現(xiàn)更高的效率。

從膜電極組件本身的設(shè)計(jì)來(lái)看，它由“功能”區(qū)、“結(jié)構(gòu)”區(qū)和“過(guò)渡”區(qū)三個(gè)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(guò)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(huì)直接遭受物理?yè)p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(jì)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(guò)程中，過(guò)渡區(qū)也會(huì)受到夾緊力、濕熱應(yīng)力、氣壓波動(dòng)的影響。不合理的設(shè)計(jì)會(huì)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(yáng)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(kāi)發(fā)時(shí)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(guò)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(jì)、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(jì)人員設(shè)計(jì)出緊湊且可靠的膜電極組件結(jié)構(gòu)。

戈?duì)栙|(zhì)子交換膜——破解困局的“密鑰”

近年來(lái)，隨著戈?duì)栐跉淙剂想姵刭|(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(dòng)機(jī)的可解決方案，才開(kāi)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(dú)特特性，使得這一解決方案對(duì)重型長(zhǎng)途商業(yè)運(yùn)輸行業(yè)頗具吸引力。

戈?duì)柹罡剂想姵匦袠I(yè)已有近三十年時(shí)間，其技術(shù)也已在全球數(shù)以千計(jì)的交通運(yùn)輸應(yīng)用中得到驗(yàn)證。目前，戈?duì)柺侨蛭ㄒ粚a(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(yàn)以及在材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，戈?duì)柾瞥隽诵乱淮鶪ORE-SELECT? 質(zhì)子交換膜，為質(zhì)子交換膜開(kāi)創(chuàng)了新的設(shè)計(jì)空間。戈?duì)柲軌驅(qū)①|(zhì)子交換膜電阻或滲透率降低多達(dá)50%，同時(shí)絲毫不影響其它特性?這對(duì)燃料電池電堆設(shè)計(jì)人員而言可謂向前邁出的重大一步，能夠幫助他們避免開(kāi)發(fā)時(shí)的權(quán)衡取舍。

這些質(zhì)子交換膜由戈?duì)枌Ｓ械脑鰪?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(shí)，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(duì)濕度 (RH) 下。

GORE-SELECT? 質(zhì)子交換膜經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)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?duì)栙|(zhì)子交換膜對(duì)濕熱應(yīng)力的耐受性更強(qiáng)：實(shí)踐證明，在相對(duì)濕度循環(huán)機(jī)械耐久性測(cè)試中，其性能超出美國(guó)能源部 (DOE) 目標(biāo)的1-3倍。

戈?duì)柕南冗M(jìn)添加劑技術(shù)可以降低化學(xué)污染，延長(zhǎng)在長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸?shù)葒?yán)酷工作環(huán)境下的使用壽命。這令戈?duì)栙|(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?duì)柕脑鰪?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。

憑借深厚的材料專業(yè)知識(shí)、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?duì)栍心芰榭蛻籼峁┦褂脡勖L(zhǎng)且性能更出色的質(zhì)子交換膜，幫助客戶在這一競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)，管理和降低總擁有成本(TCO)。通過(guò)這一創(chuàng)新技術(shù)，戈?duì)柟菊c客戶攜手，共同塑造一個(gè)更加清潔、可持續(xù)的交通運(yùn)輸未來(lái)。