实现碳达峰是中国“十五五”时期的重要任务。2024年中国交通部门碳排放量占全国约8.1%，约9.2亿吨，其中重卡占了43%的道路交通碳排放。因此重卡的低碳转型对于交通领域的碳达峰至关重要。氢燃料电池技术是重型车辆零碳转型的关键技术路径之一，燃料电池汽车以氢气为燃料，排放物只有水，可有效解决传统燃油重卡的高碳排放问题。
燃料电池汽车的发展与质子交换膜这一核心零部件的性能密切相关。基于高效能、耐久性等特性，美国戈尔的GORE-SELECT® 质子交换膜在推动氢燃料电池应用和重型车辆行业绿色转型中启到关键作用。
// 重型车辆——无碳化进程的“关键战角色”
交通运输行业在过去几乎完全依赖于化石燃料和内燃机，仅在2021年，该行业产生的二氧化碳排放量就占全球总排放量的37%。为实现国际净零碳排放目标，降低交通运输行业的碳排放量显得尤为迫切，因此，无论如何强调交通运输业作为无碳化杠杆的重要性都不为过。
在这一进程中，重型车辆（HDV）行业在无碳化进程中扮演着尤为关键的角色。在美国，中型和重型卡车的年度汽车燃料使用量占据总使用量的25%，碳排放则占总排放量的23%。更重要的是，到2050年，年度货运卡车里程数预期还会大幅增长，这使得其它低碳能源的开发及商业化应用刻不容缓。
// 燃料电池电堆制造商面临的挑战
氢燃料能够以更小的重量储存更多的能量，因而非常适合大型运输。燃料电池电堆的功率可通过增加额外的燃料电池来提高，而重量却不会增加太多，从而可进一步提升商业氢能车队的运载能力。氢能卡车已经展现出一定的竞争优势，其燃料加注速度甚至比传统内燃机更快。
凭借可预测的商业化路线，加氢站 (HRS) 运营商能够采用 “中心辐射”模式持续为燃料电池重型车辆 (HDV) 提供服务，从而快速收回初始投资。
但初始车辆成本较高以及材料耐久性欠佳，这两大问题已为轻型车辆 (LDV) 市场的燃料电池汽车 (FCV) 商业化带来很大障碍而这些问题对于重型车辆 (HDV) 而言则更为严峻。
重型车辆由于具有不同的驾驶循环模式和工作条件，以及更长的使用寿命需求，将对质子交换膜燃料电池部件当前的耐久性极限和失效机制提出挑战。美国能源部 (DOE) 近期公布了氢能8级长途卡车的目标，强调了重型车辆相对于轻型车辆在性能标准方面的大幅跃升。系统使用寿命增加近四倍，达到12年，里程则超过100万英里。
由于重型车辆希望延长使用寿命并提高效率，戈尔需要提供全新的技术和集成策略来实现这些目标。
从材料角度而言，作为燃料电池电堆的核心，膜电极组件 (MEA) 的设计和耐久性对于克服这些挑战，以及交付可靠的高性能燃料电池重型车辆而言至关重要。
// 膜电极组件——燃料电池的“心脏”
膜电极组件（MEA）是氢和氧发生电化学反应的地方，也是燃料电池电堆的核心。膜电极组件的工作环境非常严酷，在长途重型卡车应用中更是如此。为了确保在更长的使用寿命内保持稳定性能，作为膜电极组件的关键组件，质子交换膜的化学-机械稳定性尤为重要。
在工作过程中，膜电极组件可能会受到物理和化学损坏。多变的驾驶循环引起电压变化，导致材料性能衰减，例如碳载体腐蚀或质子交换膜变薄，最终导致性能下降。同时，空气压力波动、湿度和温度循环（湿热应力）导致机械性能衰减，并且可能出现裂纹和撕裂，进而导致质子交换膜过早失效。此外，重型车辆使用寿命的延长还会引起另一重担忧，即质子交换膜会与污染物接触更长时间，进而加快性能衰减（例如铁离子充当 Fenton 反应物）。污染物可通过燃料、空气或燃料电池电堆的其它部件进入，因此，确保质子交换膜的化学耐久性至关重要。鉴于此，戈尔期望产品在重型车辆中尽可能做到减少氢气渗透，从而提高能源效率，延长使用寿命。
除此之外，在膜电极组件设计中，燃料电池电堆制造商必须更加专注于减少气体渗透导致的动力学损耗和混合电势，避免因膜电极组件中催化剂/树脂反应导致的局部问题，从而满足更高的电压和温度要求，实现更高的效率。
从膜电极组件本身的设计来看，它由“功能”区、“结构”区和“过渡”区三个区域组成。“功能”区为电池产生电能。“结构”区，为膜电极组件提供化学-机械耐久性。而“过渡”区由功能区和结构区组件组成，包含了决定功率密度和能源效率的催化剂层和气体扩散层，以及决定膜电极组件结构完整性的粘合剂、框架和密封件，并且会直接遭受物理损坏和化学污染。因此，要想生产能够在恶劣工作条件下保持高输出的可靠膜电极组件，审慎的MEA设计并使用足够可靠耐用的材料至关重要。
在燃料电池工作过程中，过渡区也会受到夹紧力、湿热应力、气压波动的影响。不合理的设计会导致质子交换膜上出现裂纹，进而引起效率损失、功率密度降低和气体渗透增加，最终导致燃料电池电堆出现严重故障。
结构框架和保护层可以增加机械耐久性，垫圈和可靠密封可以控制外部气体泄漏，或阳极和阴极之间的内部渗透，从而降低化学污染的机率。
为避免开发时的权衡取舍，例如为了提高功率密度而牺牲质子交换膜的耐久性，膜电极组件过渡区中的组件应尽可能集成在一起，以便达到设计、性能和成本目标。例如，将密封组件焊接到隔板上，或直接集成到膜电极组件中，从而提供更好的电化学防护。多功能组件可帮助工程师和设计人员设计出紧凑且可靠的膜电极组件结构。
// 戈尔质子交换膜——破解困局的“密钥”
近年来，随着戈尔在氢燃料电池质子交换膜（PEM）技术领域实现进步和创新，质子交换膜燃料电池作为取代柴油发动机的可解决方案，才开始真正引起人们的关注。质子交换膜在可扩展性、耐久性和功率密度等方面的独特特性，使得这一解决方案对重型长途商业运输行业颇具吸引力。
戈尔深耕燃料电池行业已有近三十年时间，其技术也已在全球数以千计的交通运输应用中得到验证。目前，戈尔是全球唯一将产品全面应用于商业化燃料电池汽车生产的质子交换膜制造商。
凭借丰富的经验以及在材料科学领域的专业知识，戈尔推出了新一代GORE-SELECT® 质子交换膜，为质子交换膜开创了新的设计空间。戈尔能够将质子交换膜电阻或渗透率降低多达50%，同时丝毫不影响其它特性这对燃料电池电堆设计人员而言可谓向前迈出的重大一步，能够帮助他们避免开发时的权衡取舍。
这些质子交换膜由戈尔专有的增强型膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 薄膜打造，因此可在减小厚度的同时，依旧提供出众的耐久性或性能，减小厚度可降低质子电阻，从而提高功率。而且，较薄的质子交换膜具有更高的水传输率，这样可以提高性能，特别是在较低的相对湿度 (RH) 下。
GORE-SELECT® 质子交换膜经过严格测试，即便在极端条件下，也能够提供持续稳定的电流输出。例如，戈尔质子交换膜对湿热应力的耐受性更强：实践证明，在相对湿度循环机械耐久性测试中，其性能超出美国能源部 (DOE) 目标的1-3倍。
戈尔的先进添加剂技术可以降低化学污染，延长在长途卡车运输等严酷工作环境下的使用寿命。这令戈尔质子交换膜能够有效减少 Fenton 金属污染，降低氟化物释放率。与非增强型质子交换膜相比，戈尔的增强型质子交换膜具有更低的气体渗透性，可减少由于气体渗透导致的损坏。
// 结尾
2024年燃料电池重卡销量为占燃料电池汽车的比重高达62.8%，销量4460辆，同比增长22.1%，燃料电池重卡已成为中国氢能技术商业化应用的主要突破口。戈尔公司（Gore）未来将持续深化在燃料电池重型商用车领域的战略布局，通过材料科技创新、行业痛点解决方案和全价值链协同合作，全方位助力客户提升产品性能、降低运营成本并加速商业化落地。
// 独家福利
膜电极组件设计如何让燃料电池成为重型车辆的可行解决方案
在加速净零排放转型过程中，为何测试和失效模式分析如此关键？
PEM方面发挥的作用特性在降低燃料电池系统总拥有成本(TCO)
利用关键因素，实现理想的燃料电池系统性能
原文标题 : 戈尔质子交换膜：让燃料电池重卡寿命与效率不再“两难”
