乘氢而上：质子交换膜技术助燃燃料电池汽车商业化

  新年伊始,据中汽协公布的多个方面数据显示,2022年我国氢燃料电池汽车产销数据达到3992辆和3789辆,较去年同比增长121.11%和138.90%!(另据保险数据,2022年燃料电池汽车上牌量突破5000辆。)喜人涨幅的背后,在示范奖励政策的牵引下,氢燃料电池汽车正以续航里程长、加注速度快等优势撬动国内新能源汽车产业尤其是商业车领域万亿级的蓝海市场。

  商用车作为一种生产工具,商业运输公司把运输效率和全生命周期经营成本放在首位,但双碳目标和排放法规要求商用车走向零排放,实现绿色运输是大势所趋,燃料电池汽车技术的加快速度进行发展正在逐个击破不少当下“绿色运输”难题,如纯电动商用车续航能力短、充电时间长,环境和温度适应性差等,得到来自商用车市场的广泛关注。燃料电池汽车产业的蓬勃前景也催生了对包括质子交换膜、高压氢瓶等关键技术的更高要求。

  机遇与挑战并存,以期实现燃料电池汽车商业化前景,还需逐步的提升关键技术的商业可行性及竞争优势。因此,我们就“质子交换膜技术助力燃料电池汽车商业化”为题采访了燃料电池质子交换膜领导者戈尔公司(W. L. Gore &Associates)全球产品专家Simon Cleghorn,得到了全新的思考角度和洞察。

  提问:面对高温或潜在干燥的情况,工程师倾向于在氢燃料电池电堆中使用更薄的质子交换膜(PEM),但PEM厚度减少轻易造成PEM机械性能差,甚至影响整体燃料电池的常规使用的寿命。针对这样的一种情况,您有什么建议或经验可以分享吗?

  Simon:燃料电池电堆和系统研发工作中涉及各种各样的因素之间的相互作用,因此十分考验工程师全方位考量问题的能力。电池电堆里的PEM一定要具有高电导率、稳定的化学性能及机械性能,以及低气体渗透性。但普通的纤薄PEM往往会增加气体渗透性以此来降低燃料效率,同时PEM更薄也更加容易发生有害自由基浓度升高的风险,从而加速化学性能衰减,缩短产品寿命。这些都是普通的纤薄PEM易影响燃料电池常规使用的寿命的根本原因。

  戈尔采用膨体聚四氟乙烯(ePTFE)对质子交换膜(PEM)进行增强,一举解决了这一些难题。戈尔利用ePTFE、性能出众的高聚物以及有助于对抗化学性能衰减的专有添加剂相结合,开发出增强型复合PEM技术,最终实现了低电阻、高耐用性且符合特定应用要求的产品设计。

  提问:在生产及组装阶段,同样的部件在不同的汽车制造商生产的全部过程中常出现不同的适应性需求,如PEM和其他部件之间的相互作用。供应商是否有不同方式能帮助汽车制造商更顺畅的实现稳定生产及开发呢?

  Simon: 确实,从研发转向生产阶段,非常考验供应商对于部件的理解程度。供应商不仅需要进一步探索各部件的潜在性能权衡因素,更需要精通其部件与燃料电池电堆和系统中其它部件之间可能会产生的相互作用。供应商一定要具有坚实的“后备力量”,从表面科学、热学、力学和物理表征、化学分析以及微观结构表征方面等,才能为制造商提供最为全面可靠的帮助。

  以质子交换膜为例,领先的PEM供应商应能(在燃料电池中)进行原位电化学分析,以确定可能因材料变化而导致的长期性能欠佳和/或功率损耗的原因。同时,PEM供应商应能随时使用非原位总结分析工具来诊断现场返回的MEA/PEM的故障模式或机制。为此,戈尔开发了两种建模方案,原位(在燃料电池中)和非原位测试方法,以便了解这些相互作用并加快产品设计。

  提问:当汽车制造商转向燃料电池量产阶段时,如何在提高电堆生产良率的同时降低成本?

  Simon: 从质子交换膜(PEM)供应商的方面出发,品质稳定的原材料和精密的质子交换膜涂覆技术将有利于PEM供应商尽可能减少电池之间的差异,从而确定保证产品的生产良率和使用寿命。

  能够生产高性能PEM且产能可满足行业需求的供应商更是寥寥无几。戈尔将此优势视为取得成功的关键,并充分的利用我们在膨体聚四氟乙烯(ePTFE)增强领域的技术专长和全球网络资源,确保规模化生产中的供应安全性、工艺稳定性和质量一致性。

  现如今,燃料电池技术正在燃料电池乘用车领域得到一定效果的开发、部署和测试。多样的燃料电池汽车类型促使质子交换膜(PEM)燃料电池电堆和系统在燃料电池市场中的份额高达64%。

  展望未来,燃料电池商业化之路任重道远,需要继续研发更专业的质子交换膜(PEM)技术来明显提高燃料电池电堆和系统的性能及可靠性,携手各类汽车制造商一道从容迎接氢能未来。