膜大师戈尔：突破“成本”困局，迎来燃料电池汽车产业化-北极星氢能网

导读
Introduction

当前,氢燃料电池汽车已来到一个重要的发展节点。据悉，已经量产的燃料电池汽车均采用质子交换膜燃料电池技术，但成本和寿命两大问题仍旧限制着质子交换膜燃料电池技术的进一步发展，而合适的质子交换膜是加速燃料电池汽车产业化进程并使其相对其他新能源汽车变得有竞争力的关键。GORE-SELECT质子交换膜通过独特ePTFE的结构设计和特殊的原材料，既可以降低膜的厚度，提高系统的功率密度，还能保持优异的机械和化学耐久性，并且使得燃料电池系统综合成本更优，有效推动产业化进程。

认识燃料电池
Understanding Fuel Cells

燃料电池是一种电化学设备，这种设备能够把燃料所具有的化学能直接转换成电能，它通过催化剂和氧气发生反应。其中，氢-氧燃料电池唯一的副产品是水，这使得氢-氧燃料电池不仅效率高，而且还非常环保，近年来逐渐成为业界关注的焦点。

根据转换过程中使用的电解质，共有几种不同类型的燃料电池。其中，质子交换膜(PEM)燃料电池因其体积小，重量轻，能量密度高，零排放已经成为燃料电池车辆的首选技术。

质子交换膜是什么
What is proton exchange membrane

质子交换膜（PEM）是燃料电池电堆的核心组件，主要作用有两个：一方面为电解质提供离子通道，一方面作为隔膜隔离两级反应气体。此外，质子交换膜还需要对催化剂层起到支撑作用。质子交换膜的性能直接影响燃料电池的性能。

质子交换膜的性能要求

(1)电导率高(高选择性地离子导电)；

(2)机械和化学稳定性好;

(3)尺寸稳定性好，可加工性好，满足大规模生产要求

(4)作为反应介质要有利于电极反应;

(5)性价比适当，较低的全生命周期使用成本

质子交换膜技术对比
Technical comparison

按类型来分，质子交换膜可以分为全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合质子交换膜和高温质子交换膜等。

类型	简介	优点	缺点
全氟磺酸质子交换膜	由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成	机械强度高，化学稳定性好，导电率高，低温时电流密度大，质子传导电阻小，是目前应用广泛、商品化的燃料电池膜材料	温度升高使质子传导性能变差；高温易发生化学降解；单体合成困难，成本高
非全氟化质子交换膜	用氯化物代替氟树脂，或用氟化物与无机或其他非氟化物共混	成本低，工作效率较高，能使单电池寿命提升到15000h	机械强度及化学稳定性较差，较难满足燃料电池长期使用的要求
无氟化质子交换膜	碳氢聚合物膜	成本低，环境污染小	化学稳定性较差
高温质子交换膜	代表性技术路线是无机强酸（如磷酸、硫酸等）掺杂的PBI（聚苯并咪唑）膜	在高温下保持化学稳定性，改善电池阳极侧氧气的还原反应动力	质子传导介质易随电池电极反应生成的水而流失，造成性能下降
普通复合质子交换膜	聚四氟乙烯多孔膜和全氟磺酸树脂构成的复合膜	机械性能改善，改善膜内水传动与分布，降低质子交换膜内阻	制备技术要求较高
GORE-SELECT质子交换膜（独特的复合质子交换膜）	基于ePTFE (膨体聚四氟乙烯)增强的超薄高耐久离子交换膜	打破传统质子交换膜质子传导性和耐久性的矛盾；通过特殊的膜结构选择来达到很高的机械强度，降低溶胀，同时优选的助剂配方实现极强的化学耐久性，使质子交换膜持久地保持高性能，延长整个燃料电池系统的寿命。

大咖谈燃料电池行业
Big Talk on Fuel Cells

毛宗强

清华大学核能与新能源技术研究院教授、国际氢能学会（IAHE）副主席

能源安全、环境压力催生氢能发展热潮

未来的氢能发展应该是全面的，不仅仅是目前聚焦的氢能交通，而是包括氢全方位应用的氢经济，进而发展到包括氢医学在内的氢社会。

欧阳明高衣宝廉干勇董扬

欧阳明高中国科学院院士、清华大学教授、全国政协常委

三五年之后燃料电池技术会趋于成熟

燃料电池车比纯电动产业化进程约晚10年左右。当前采用十年前十城千辆的推广模式是合适的。目前燃料电池标志性车型是大客车，2025年大型SUV可能是一个标志性车型，2030年长途重卡可能是标志性车型。我们在节能与新能源汽车路线图研究中得到的基本预期判断是2020年保有量达到5千到1万，2025年5万到10万，2030年100万左右。

衣宝廉中国工程院院士、燃料电池专家

燃料电池已经进入市场导入阶段

从国际上看，燃料电池已经进入了市场的导入阶段，发动机的功率大幅度提升，用70MPa气瓶已经可以跑500公里以上，基本上满足了车辆运营要求，现在的问题是没有大批量的生产线，成本比较高，受加氢站的制约。

干勇中国工程院原副院长、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任、中国金属学会理事长

我国氢能产业发展前景广阔

目前我国氢能产业发展前景广阔，但要实现快速健康发展需要改变氢能生产主要依赖化石能源、清洁能源制氢和氢作为能源利用规模还比较小的现状。攻克质子交换膜组、发动机、传感器等氢核心产品技术难点，并且要解决氢气输送网络系统不成熟，商用化应用不足等现实问题。

董扬中国汽车工业协会常务副会长兼秘书长、中国汽车工程学会副理事长

燃料电池化是商用车转型升级方向

基于燃料电池已取得重大技术进步，以及我国节能减排的目标要求，应该把重型载货车作为燃料电池汽车的主要发展方向。

戈尔20年技术创新
Gore's 20 Years of Technological Innovation

合适的质子交换膜能够加速商业化进程并使得燃料电池汽车变得有竞争力，戈尔GORE-SELECT PEM经过二十多年的开发，相对于其他类似功能产品，其先进性主要体现在：

①
超薄增强膜性能更好
②
提升高温耐久性
③
防止气体渗透
④
极强的机械耐久性和化学耐久性
⑤
更低的全生命周期使用成本
⑥
大规模量产车验证

超薄增强膜大大降低质子传导阻力，提高电堆功率密度；有利于水汽传导；节省原材料

在电堆运行在较高温度区间 (>80 ℃ <120 ℃), 能有效延缓膜在低湿条件下的降解，降低电堆性能的恶化

通过膜的特殊微观机构，有效降低渗氢率，同时不影响质子通过效率

保证膜质子传导性能的情况下极大地降低了膜溶胀失效，化学降解失效，特别是高温低湿环境下

有效降低原材料使用量，减少电堆体积和重量，延长电堆使用寿命，提高辅助系统的冗余度，降低复杂性，从而降低其全生命周期使用成本

通过多家整车厂量产车型的实测验证，此外戈尔建立了全球首条符合汽车行业标准的大规模连续生产线。

（1）行业开创者和领导者

戈尔是ePTFE增强膜技术的发明者。戈尔公司供应拥有极为先进的质子交换膜和膜电极组件 (MEA)产品，用于质子交换膜 (PEM) 燃料电池行业。1994 年，戈尔依托在膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 领域的专长，研发出具备专利的超薄增强型质子交换膜技术。至今为止，戈尔不断迭代质子交换膜和膜电极技术并和广大主机厂合作进行实车验证，累计交付数百万平米的质子交换膜以及数百万片膜电极产品，广泛应用于市场上主流量产及开发中燃料电池车型，远超业内其它供应商。

基于20年创新技术，戈尔公司凭借着GORE-SELECT 膨体聚四氟乙烯增强超薄质子交换膜技术，与宝马、丰田、日产、比亚迪、宁德时代、华为、特斯拉分获八项创新技术大奖，成为唯一获此殊荣的材料级别企业。

（2）大批量生产能力

戈尔最新工艺研发促进了GORE-SELECT质子交换膜的快速生产，并使其宽幅尺寸上有更多选择和具有更高的均一性。Gore产品能够满足OEM需求，已取得ISO认证（9001和14001），并通过不断改进工艺、对制程能力和可靠性的严格把控来实现大批量生产交付。