戈尔制胜“利器”：超薄膜技术和大规模商业化经验

作为车用燃料电池核心材料，质子交换膜技术门槛极高。全球燃料电池汽车发展多年以来，国内外很多企业投入过质子交换膜的研发生产，但大多因为各种各样的原因或停滞或放弃该业务，能够长期坚持下来且实现大规模商业化生产的仅有戈尔。

戈尔凭什么能够获得车用质子交换膜“独一无二”的市场地位？作为“领头羊”，戈尔接下来的战略规划又将如何影响行业的发展？

近日，高工氢电巡回调研团队到访戈尔。戈尔成立于1958年，是一家以材料科技为本的全球性公司，从发明GORE-TEX®面料推动户外服饰行业革新，到创造医疗器械改善生活、拯救生命，以及在特种航天、医药和移动电子等行业中实现更出色的产品性能等。公司总部位于美国特拉华州纽瓦克市，在全球拥有约9500名员工，年收入逾35亿美元。

在车用燃料电池质子交换膜领域，戈尔创造性地发明ePTFE(膨体聚四氟乙烯)的专有增强膜技术，所以核心产品GORE-SELECT®PEM具有超薄、耐用、高功率密度的特性，与全球领先的新能源汽车制造商和燃料电池公司有着广泛而深入的合作。丰田MIRAI、现代NEXO和本田CLARITY等都采用戈尔产品，被认为是满足汽车应用挑战的行业标准。

从技术来看，戈尔之所以能够引领全球车用质子交换膜的发展，主要源于四点：1、质子交换膜的质子传导是通过酸性的有电阻功能的氟磺酸离聚体树脂，戈尔在近三十年的研发过程中，筛选和评测众多不同特性离聚体，找到最佳方案，适应不同工况条件的需求；

2、作为ePTFE膜的发明者和领导者，戈尔可以自如地对膜微观机构进行工程设计，独特的ePTFE膜微观结构帮助实现氟磺酸离聚体的最佳性能；

3、耐久性是车用质子交换膜的一大技术瓶颈，而戈尔膜技术打破了传统质子交换膜质子传导性和耐久性的矛盾。其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；

4、众所周知，规模化生产、批量稳定性和质量均一性是车用质子交换膜的关键。戈尔自主研发的生产流程和工艺，特别是百万平米级别的连续生产线是质子交换膜技术走出实验室，成为其产品走向大规模产业化的保证。

从产品来看，戈尔增强型质子交换膜每年出货量达几十万平米，且逐年递增中。目前公司出货量较多的是18μm、15μm的质子交换膜。在超薄膜应用提速的形势下，戈尔8μm超薄膜也得到客户的好评。虽然超薄膜技术已经远远领先于同行，但戈尔实验室里已经储备了5μm乃至更薄膜的技术能力，正等待合适的产业化时机。

戈尔亚太区高级经理陈恩泽表示：“目前下游客户对超薄膜很感兴趣，主要原因在于超薄增强膜大大降低质子传导阻力，降低欧姆极化，提高电堆功率密度。同时超薄的设计更加有利于水气的传导，特别是在低湿条件下，提升整个电堆的运行性能。超薄膜还意味着原料更节省，系统设计更加灵活，开发者可以开发更简单更低成本的系统。”

值得注意的是，超薄膜要实现更好的性能，技术难度比寻常膜大得多。

“戈尔GORE-SELECT®PEM是基于ePTFE（膨体聚四氟乙烯）增强的超薄高耐久离子交换膜技术。该技术的亮点是通过超薄（可低于10微米）增强设计（独特的ePTFE微观结构）和特殊的原材料（氟磺酸离聚体以及助剂配方），提高燃料电池质子传导性能，提升功率密度，增强机械和化学耐久性，延长整个系统在车辆使用环境下的寿命。”陈恩泽说。

经过实际验证，戈尔8μm膜的化学耐久性和寿命比肩18μm膜。其在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，特别是在高温低湿的环境下。同时戈尔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，这大大提高了系统的燃料效率。

整体而言，戈尔超薄膜可以帮助减少电堆体积和重量，同时优异的耐久性能也延长了电堆使用寿命，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。

众所周知，燃料电池汽车要实现大规模推广应用，必须与纯电动车及传统燃油车进行的综合竞争力对比，这意味着燃料电池系统在提高功率密度、实际路况耐久性（一般情况下至少>5000小时耐久运行，约等于二十万公里行驶里程），以及综合系统成本上要大幅提高现有水平。

“作为目前占电堆成本25%左右的关键材料，通过戈尔最新批量化生产技术带来规模效应，未来更有大幅度成本下降的空间，从而助力燃料电池汽车对比传统汽车取得竞争优势。”戈尔高级销售经理陈疌表示，戈尔打造了全球首条符合汽车行业标准的大规模连续生产线，位于日本冈山市，设计产能达数百万平米/年，采用最新一代工艺设计，满足整车企业严苛的质量要求，能够显著降低生产不可控因素及人力成本。

从下游应用来看，目前全球领先的燃料电池汽车制造商均选用戈尔膜作为唯一供应商应用到其量产车型上，比如丰田MIRAI、本田CLARIFY、现代NEXO、上汽FCV系列等。同时，戈尔和国内其他众多整车企业、系统制造商也在进行大量合作。

举个例子，自2018年2月开始运行，采用东方电气氢燃料电池系统的10台蜀都氢燃料电池公交车，其中东方电气自主研制的膜电极组件通过耐久性验证，寿命突破5000小时的预设要求，戈尔GORE-SELECT®PEM的耐久性和稳定性起着关键作用。

在国内，除了配套东方电气自主研发的膜电极组件外，戈尔还助力新源动力HYMOD®-36型车用燃料电池电堆突破了5000小时耐久性难关，同时实现了电堆在-20℃环境下的低温启动，以及在-40℃下的储存。2019年1月，戈尔荣获新源动力颁发优秀供应商奖。

事实上，20多年来，戈尔的薄膜在领先的整车厂以及全球数以万计的车辆（包括乘用车、商用车、叉车等）、无人机、便携式和固定式发电、储能等应用中已经得到广泛验证。从其技术储备来看，更薄、更耐久、更适应高温应用场景的技术等正接近商用化水平。

如今戈尔GORE-SELECT®PEM被认为是燃料电池汽车应用的行业标准和技术规范。戈尔GORE-SELECT®PEM技术、生产工艺及大规模量产能力必将促进质子交换膜燃料电池成为全球新能源汽车行业主要技术路线和重要增长引擎。

本次巡回调研活动得到赞助商山东魔方新能源科技有限公司团队的大力支持。目前魔方新能源主要研发设计燃料电池发动机、电堆、石墨双极板、MEA等核心产线。作为设备供应商，团队凭借十多年的燃料电池研发设计经验，可深度参与客户的技术工艺路线选型；可充分满足客户需求，开发出领先的整套生产线。