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    2020年已至,美國能源部燃料電池技術指標都完成了嗎?

    發布日期: 2020-02-21
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    成本、性能和耐久性是燃料電池商業化的關鍵挑戰。針對質子交換膜燃料電池關鍵材料(質子膜、電催化劑、膜電極和雙極板),關鍵部件(電堆、加濕器和空壓機)和燃料電池系統,美國DOE對上述8項作出了至2020年的技術目標。2020年已至,美國DOE的這些燃料電池技術指標都完成了嗎?

    作為美國能源部能效與可再生能源辦公室的下屬部門,燃料電池技術部門的”多年研究、開發和示范項目“(Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan)指明了有關燃料電池所有活動的目標、目的、技術目標、任務和時間表。其中,針對交通領域車用質子交換膜燃料電池,該項目文件顯示了至2020年質子膜、電催化劑、膜電極、雙極板、電堆、加濕器、空壓機和燃料系統的技術目標。

    質子交換膜

     

    上標注釋:

     

    a 膜電極在溫度80°C的氧氣或氫氣中測試,氣體完全濕潤,總壓力為1個大氣壓。

     

    b 納米纖維支撐的14 μm PFIA膜。

     

    c 增強和化學穩定的PFIA膜。

     

    d 大批量生產成本(每年50萬套80 kW系統)。

     

    e 每年生產50萬套系統的質子膜成本。

     

    f 根據表P.3、表P.4和表P.5中協議進行測量。(所有附表和附圖見文末)

     

    g 可將在50 kPa壓差,80℃和100%RH的條件下0.1 sccm/cm2的滲透量作為等效參考。

     

    電催化劑

    上標注釋:

    a 為實現系統成本目標,可能再進一步降低貴金屬含量和載量。

    b 額定功率工作點取決于膜電極溫度?;谀繕酥礠/ΔTi=1.45 kW/°C,定義額定工況工作點電壓V=77.6/(22.1+T[°C])。膜電極溫度近似等于電堆冷卻液出口溫度。Q/ΔTi的定義見電堆技術指標注釋i。

    c 參考Steinbach等人發布的2014年“高性能、高耐久性和低成本的膜電極組件”年度價值評估。

    d 基于膜電極在150 kPa絕壓時的總功率,并在0.692 V和90°C下測得,滿足Q/ΔT<1.45 kW/°C。若在250 kPa的壓力下,目標值為0.12 g/kW。

    e 使用表P.1中的協議進行測量。

    f 參考通用汽車公司Kongkanand等人的2014年“高活性脫硫催化劑”年度價值評估。

    g 使用表P.2中的協議進行測量。

    h 參考B. Popov等人2015年“用于PEM燃料電池的超低摻雜Pt陰極催化劑的開發”年度價值評估。

    i 參考LANL機構P. Zelenay等人的2016年“非貴金屬燃料電池陰極:催化劑的開發和電極結構設計”年度價值評估。

    j 目標值相當于在載量0.1 mgPGM/cm2時催化劑質量比活性為0.44 A/mgPGM的目標。(PGM: Platinum group metal)

    膜電極

    上標注釋:

    a 大批量生產成本(每年50萬套80 kWnet系統)。

    b 每年生產50套系統的膜電極成本。

    c 按照表P.7的耐久性試驗規程,使用510催化劑(陽/陰極載量為0.2/0.4 mgPGM/ cm2)的戈爾膜電極在1.0-1.5 A/cm2電密區間電壓降低10%之前的時間。

    d 溫度區間在80°C至gao溫度或更gao。根據表P.6和表P.7中的極化曲線和耐用性測試協議,測試后額定功率下降<10%。

    e 根據表P.8中的協議測量,在1.2 A/cm2電密工作下電壓下降小于5%。

    f 使用表P.6中的極化曲線協議測量。

    g 參考通用汽車公司Kongkanand等人2014年“高活性脫硫催化劑”年度進度報告。

    h 使用表P.6中的極化曲線協議進行測量,但可以使用任何溫度到gao工作溫度的溫度范圍,大入口RH為40%。額定功率工作點和電催化劑技術目標的注釋b相同。

    i 在絕壓150 kPa時面積比功率為810 mW/cm2,在絕壓250 kPa時面積比功率為1060 mW/cm2。

    j 使用基于表P.6中極化曲線協議下測量的1.0 A/cm2電密運行下30°C時電壓與80°C時電壓之比。露點溫度25°C僅用于30°C溫度操作。

    k 基于使用高陰極載量(0.1/0.4 mgPGM/cm2陽/陰)的Gore膜電極和SGL GDL(25BC/25BC)在LANL進行的測試。

    l 使用基于表P.6中極化曲線協議下測量的1.0 A/cm2電密運行下90°C時電壓與80°C時電壓之比。露點溫度59°C用于90°C和80°C溫度操作。

    m 使用基于表P.6中極化曲線協議下測量瞬態30°C時電壓與80°C 1.0 A/cm2穩態工作時電壓之比。露點溫度25°C僅用于30°C溫度操作。30°C瞬態工況指在1 A/cm2電密下持續至少15分鐘,然后不改變操作條件,降低至0.1 A/cm2并持續3分鐘;3分鐘后,電流密度再恢復到1 A/cm2,恢復到1 A/cm2后測量電壓5秒鐘。

    雙極板

    標注釋:

    a 膜電極達到1000 mW/cm2性能且大批量生產(每年50萬套80 kW系統)的成本。

    b 每年生產50萬套系統的雙極板成本。

    c 參考Treadstone C.H. Wang2012年“低成本質子交換膜燃料電池金屬雙極板”年度進展報告。

    d 根據標準氣體傳輸測試(ASTM D1434)。

    e C.H. Wang(Treadstone), private communication, October 2014。

    f Blunk, et al., J. Power Sources 159 (2006) 533–542。

    g pH 3 0.1ppm HF, 80°C, peak active current<1e-6 A/cm2 (0.1 mV/s動態電壓測試, -0.4 V to +0.6 V (Ag/AgCl)), 用Ar吹掃除氣。

    h Kumar, M. Ricketts, and S. Hirano, "Ex-situ evaluation of nanometer range gold coating on stainless steel substrate for automotive polymer electrolyte membrane fuel cell bipolar plate," Journal of Power Sources 195 (2010):1401–1407, September 2009。

    i pH 3 0.1ppm HF, 80°C, passive current<5e-8 A/cm2 (+0.6V (Ag/AgCl)恒電位測試超24 h),充氣溶液。

    j 參考GrafTech的O. Adrianowycz等人2009年“用于汽車PEM燃料電池的下一代雙極板”年度進展報告。

    k 包括根據Wang等人的方法測得的界面接觸電阻。Wang, et al. J. Power Sources 115 (2003) 243–251 at 200 psi (138 N/cm2)。

    I ASTM-D 790-10非增強和增強塑料及電絕緣材料的彎曲性能標準測試方法。

    m 參考Porvair的D. Haack等人2007年“碳-碳雙極板”年度進度報告。

    n 根據ASTM E8M-01金屬材料拉伸測試的標準測試方法或其他方法。

    o 參考橡樹嶺國家實驗室M. Brady等人的2010年“氮化金屬雙極板”年度進展報告。

    電堆

    上標注釋:

    該部分所指電堆不包括儲氫、電子、驅動和熱、水、空氣管理系統等燃料電池附件。

    c 凈功率(電堆功率減去BOP功率)。體積是“box”體積,包括死空間。

    d 新聞稿:豐田汽車公司于2012年9月24日宣布其未來技術發展狀況。

    e M. Hanlon, "Nissan doubles power density with new Fuel Cell Stack," Oct 13, 2011。

    f 使用表P.6中的極化曲線協議測量。

    g 大批量生產成本(每年50萬套堆)。

    h 根據DOE燃料電池技術辦公室燃料電池子項目下開發和驗證的實驗室規模(laboratory scale)的xin組件分析,且每年生產50萬套。

    i 與膜電極技術目標注釋d相同。

    j 參考J. Kurtz等人“年度燃料電池電動汽車評估”(2015年年度價值評估)報告,10%電壓降級。

    k 根據表P.8中的協議測量,在1.2 A/cm2電密工況點的電壓下降小于5%。

    l Q/ΔTi=[電池組功率(90 kW)x(1.25 V-額定功率下的電壓)/(額定功率下的電壓)]/[(電池組冷卻液溫度-環境溫度]]。技術目標假設80 kW凈功率需要90 kW功率電堆,并且使用表P.6中的極化曲線協議進行測量(入口加濕和冷卻液出口溫度除外)。入口加濕gaoRH40%,冷卻液出口溫度可達gao工作溫度,陰陽極入口壓力gao150 kPa(值)。

    m 基于0.67 V電壓和電堆冷卻液出口溫度80°C。

    n 與膜電極注釋j相同。

    o 與膜電極注釋I相同。

    p 與膜電極注釋m相同。

    空壓機

    上標注釋:

    a 完全集成的空壓機系統在臺架測試中電機控制器的輸入功率。完全集成空壓機系統包括控制系統電子、過濾器以及用于冷卻的其他空氣設備。

    b 壓縮機:流量92 g/s,排出壓力為2.5 bar(值);入口條件40°C,25%RH。膨脹機:流量88 g/s,入口壓力為2.2 bar(),入口條件70°C,100%RH。

    c 壓縮機:流量23 g/s,小排出壓力為1.5 bar(壓力);入口條件40°C,25%RH。膨脹機:流量23 g/s,入口壓力為1.4 bar(),入口條件70°C,100%RH。

    d 壓縮機:流量4.6 g/s,小排出壓力為1.2 bar(壓力);入口條件40°C,25%RH。膨脹機:流量4.6 g/s,<壓縮機排氣壓力,入口條件70°C,20%RH。

    e 根據表P.10中的協議執行耐久性測試。

    f 重量和體積包括電機和電機控制器。

    g 每年50萬套制造量。

    h 包括每年制造50萬套系統的壓縮機、膨脹機和電機控制器的成本。

    加濕器

    上標注釋:

    a 參考2013年2月戈爾報告”低成本、高性能燃料電池加濕器的材料和模塊“。

    b 進入干燥空氣:干氣流量3000 SLPM,183 kPa(值),80°C,0%RH。進入濕空氣:干氣流量2600 SLPM,160 kPa(值),80°C,85%RH。

    c 根據表P.11中的協議執行耐久性測試。

    d 大批量生產成本(每年50萬套80 kW系統)。

    e 參考美國能源部15015氫能和燃料電池項目記錄“燃料電池系統成本-2015”。

    系統

    上標注釋:

     

    技術目標不包括儲氫、電子和驅動。

     

    b 直流輸出能量與燃料氫低熱值的比率。峰值效率低于額定功率的25%。

     

    c W. Sung, Y. Song, K. Yu, and T. Lim, "Recent Advances in the Development of Hyundai-Kia’s Fuel Cell Electric Vehicles," SAE Int. J. Engines 3.1 (2010):768–772, doi: 10.4271/2010-01-1089。

     

    d J.Juriga,Hyundai Motor Group's Development of the Fuel Cell Electric Vehicle,May 10, 2012。

     

    e U. Eberle, B. Muller, and R von Helmolt, Energy & Environmental Science 5 (2012):8780。

     

    f 大批量生產成本(每年50萬套系統)。

     

    g 與電堆技術目標注釋h相同。

     

    h 基于2010年SAE世界大會報告平均值(W. Sung, Y-I. Song, KKH Yu, T.W. Lim, SAE-2-10-01-1089)。

     

    i 氫氣的低熱值能量,包括低溫啟動過程中消耗的電能。

     

    j 與電堆技術目標注釋j相同。

     

    k 與電堆技術目標注釋i相同。

     

    l 與電堆技術目標注釋k相同。

     

    m 在規定溫度下浸泡8小時。

     

    n 新聞稿:本田公司展示FCX概念車,2006年9月25日;美聯社,豐田公司開發了新型燃料電池混合動力車,2008年6月6日。

     

    附表和附圖:

     

     

     

     

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