膜技术如何推动汽车行业燃料电池的商业化

作者：WL Gore & Associates 全球产品专家 Simon Cleghorn

毫无疑问，氢对我们清洁能源的未来至关重要，作为氢的主要下游应用，燃料电池技术日趋成熟。如此之多，以至于在 WL Gore & Associates（戈尔），氢推动了我们对低碳、可持续能源系统的全球愿景。这一点在交通领域表现得最为明显，交通领域是采用氢作为能源的关键参与者。

实现这一未来潜力的工具是质子交换膜 (PEM) 燃料电池堆，它利用具有正确专业知识的膜技术，可以通过显着提高燃料电池堆和系统的性能和可靠性来加速 FCEV 的商业化。

目前，有两种技术可以减少交通运输的碳足迹：燃料电池电动汽车 (FCEV) 和电池电动汽车 (BEV)。

凭借 3-5 分钟的快速加氢时间、超过 400 英里的扩展续航里程以及快速扩展的可用氢基础设施，燃料电池动力汽车正在获得令人难以置信的牵引力，并为未来的机动性开辟了新的可能性。

更深入地研究各种类型的燃料电池技术，质子交换膜 (PEM) 燃料电池为汽车应用提供了许多有前途的可能性。因此，让我们来看看 PEM 燃料电池堆系统的众多优势中的一些，以及为什么它是一个很好的车辆解决方案的原因。

与固体氧化物燃料电池 (SOFC) 和直接甲醇燃料电池 (DMFC) 相比，氢 PEM 燃料电池具有高功率密度、低重量和低体积，以及不需要在运行前预热的有吸引力的工作温度窗口（图 1） .

这使汽车制造商能够提供更广泛的燃料电池动力产品组合——从乘用车到商用车再到远程物流卡车。这种卓越的多功能性使 PEM 燃料电池堆和系统占据了燃料电池市场的 64% 份额（图 2）。

PEM 燃料电池技术的潜在优势使其成为汽车制造商投资的关键。然而，该技术必须具有商业可行性和竞争力才能实现规模经济。因此，为了获得广泛认可，燃料电池堆工程师必须与膜技术专家合作，共同优化 PEM、堆和系统，以实现 FCEV 在三大类中的商业化需求：

1. 性能可靠 – 了解 PEM 的功率密度和耐久性特征，以及如何利用膜技术在电池堆和系统中实现最佳性能。
2. 技术支援 – 确保适合使用的解决方案、技术专长和服务支持，以满足车辆计划目标。
3. 供应保障 – 维持可靠的氢燃料组件和材料供应链，以实现质量、一致性和可扩展生产。

性能可靠

燃料电池中的 PEM 将氢气与空气（氧气）分离，将质子从阳极传输到阴极，并防止电子在电池中短路。这使得 PEM 成为燃料电池中氢能转化的重要组成部分。为了在高温和可能干燥的条件下可靠地运行并提供出色的性能，汽车燃料电池堆中的 PEM 必须具有高质子电导率（实现功率密度），能够抵抗化学降解和机械故障，并表现出低透气性。

利用更薄的 PEM，工程师可以降低质子阻力，同时增加水传输并提高性能，尤其是在低 RH（相对湿度）条件下。然而，传统上较薄的 PEM 会影响机械性能，从而影响燃料电池的使用寿命。

此外，更薄的 PEM 会导致气体交叉增加和燃料效率降低，以及有害自由基浓度增加，从而加速化学降解，从而导致产品寿命缩短。

通过用膨体聚四氟乙烯或膨体聚四氟乙烯对 PEM 进行微增强，可以显着减少这些权衡。基于数十年的材料工程经验，戈尔的复合增强 PEM 技术基于高度工程化的膨体聚四氟乙烯、高性能离聚物和专有膜添加剂的组合，以对抗化学降解。结果是针对特定应用要求的低电阻和耐用产品设计（图 3）。 PEM 材料和设计以及燃料电池堆和系统的持续研发工作必须采用整体方法来了解它们的相互作用和权衡，以优化最终应用的性能和成本。

技术支援

随着我们从 PEM 研发转向生产和商业化，出现了新的和不同的产品要求。 PEM 供应商必须具备技术专长和知识，以支持汽车制造商定制的、适合使用的需求。

对于组件供应商来说，深入了解其组件的潜在性能权衡以及与燃料电池堆和系统中其他组件的潜在相互作用非常重要。就 PEM 而言，戈尔开发了建模、原位（燃料电池）和非原位测试方法，以帮助理解这些相互作用并加速产品设计。

至关重要的是，领先的 PEM 供应商应该能够执行原位电化学分析（在燃料电池中），以确定材料变化可能导致性能低下和/或功率随时间损失的原因。汽车供应商应该可以随时使用异地事后分析工具来诊断现场返回的 MEA/PEM 堆栈的故障模式和机制。

为了完成整体技术支持，PEM 供应商应拥有全面的全球分析资源，以支持表面科学调查、热、机械和物理表征、化学分析和微观结构表征，以解决复杂的问题。

供应保障

随着汽车制造商转向大规模生产燃料电池，PEM 制造商必须确保高产量和一致的高性能产品，同时最大限度地降低产品成本和质量风险。拥有一致原材料和精密膜涂层技术的 PEM 供应商可以通过最大限度地减少电池之间的差异来确保均匀性和质量（图 4）。这使燃料电池堆制造商能够精确控制电池堆中电池内和电池间的性能分布。从而提高堆叠产量和降低成本，并延长堆叠寿命。

另一个重要的考虑因素是原材料的供应。很少有 PEM 制造商基于广泛的研发合作和与次级供应商的稳固商业伙伴关系建立了经过验证和可靠的原材料供应链。

更难找到能够生产满足行业需求所需数量的高性能 PEM 的供应商。认识到这一点对成功至关重要，戈尔利用其 ePTFE 增强专业知识和全球网络资源来确保供应安全、工艺稳定性和大规模的质量一致性。

使燃料电池技术在货运及其他领域具有商业可行性

如今，燃料电池技术正在乘用车 FCEV 中得到有效开发、部署和测试。好消息，因为这些进步和学习正在为 PEM 技术在其他运输行业的众多优势铺平道路。使燃料电池技术在货运行业也具有商业可行性。

商业应用中的燃料电池系统开发商现在正在寻找类似的协作模型，以根据戈尔 PEM 技术的进步来扩展他们的技术。

好处是显而易见的——使用清洁氢动力的卡车可以使用更轻的燃料电池堆，使其具有更大的有效载荷能力和更高的效率，从而降低总拥有成本，这是竞争激烈的行业中的关键性能指标。

总之，我们认为燃料电池堆工程师必须与膜技术专家合作，以实现 FCEV 的 PEM、堆和系统商业化需求，分为三大类：可靠的性能、专业的技术支持和供应保障——使所有类型的汽车制造商都能实现为氢动力的未来做好准备。

如果您想了解更多有关戈尔及其 GORE-SELECT 的信息^® 膜技术，请访问 https://www.gore.com/alt-energy.

WL 戈尔公司

WL Gore & Associates 是氢能委员会的支持成员，是一家全球性的材料科学公司，致力于改变行业和改善生活。纵观其历史，戈尔在最具挑战性的环境中解决了复杂的技术挑战——从外太空到世界最高峰再到人体的内部运作。目前年营业收入$45亿元，员工12000余人。