技術文章
TECHNICAL ARTICLES成本、性能和耐久性是燃料電池商業(yè)化的關鍵挑戰(zhàn)。針對質(zhì)子交換膜燃料電池關鍵材料(質(zhì)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(tǒng),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(fā)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(zhì)子交換膜燃料電池,該項目文件顯示了至2020年質(zhì)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(tǒng)的技術目標。
質(zhì)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*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(wěn)定的PFIA膜。
d 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬套80 kW系統(tǒng))。
e 每年生產(chǎn)50萬套系統(tǒng)的質(zhì)子膜成本。
f 根據(jù)表P.3、表P.4和表P.5中協(xié)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(xiàn)系統(tǒng)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(fā)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(xié)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(xié)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(fā)”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(fā)和電極結(jié)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(zhì)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(chǎn)成本(每年50萬套80 kWnet系統(tǒng))。
b 每年生產(chǎn)50套系統(tǒng)的膜電極成本。
c 按照表P.7的耐久性試驗規(guī)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(qū)間電壓降低10%之前的時間。
d 溫度區(qū)間在80°C至gao溫度或更gao。根據(jù)表P.6和表P.7中的極化曲線和耐用性測試協(xié)議,測試后額定功率下降<10%。
e 根據(jù)表P.8中的協(xié)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(xié)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(xié)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(xié)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(xié)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(xié)議下測量瞬態(tài)30°C時電壓與80°C 1.0 A/cm2穩(wěn)態(tài)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(tài)工況指在1 A/cm2電密下持續(xù)至少15分鐘,然后不改變操作條件,降低至0.1 A/cm2并持續(xù)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
上標注釋:
a 膜電極達到1000 mW/cm2性能且大批量生產(chǎn)(每年50萬套80 kW系統(tǒng))的成本。
b 每年生產(chǎn)50萬套系統(tǒng)的雙極板成本。
c 參考Treadstone C.H. Wang2012年“低成本質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板”年度進展報告。
d 根據(jù)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(tài)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(jù)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(jù)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(qū)動和熱、水、空氣管理系統(tǒng)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(fā)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(xié)議測量。
g 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬套堆)。
h 根據(jù)DOE燃料電池技術辦公室燃料電池子項目下開發(fā)和驗證的實驗室規(guī)模(laboratory scale)的xin組件分析,且每年生產(chǎn)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(jù)表P.8中的協(xié)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(huán)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(xié)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 *集成的空壓機系統(tǒng)在臺架測試中電機控制器的輸入功率。*集成空壓機系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)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(jù)表P.10中的協(xié)議執(zhí)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(tǒng)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(jù)表P.11中的協(xié)議執(zhí)行耐久性測試。
d 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬套80 kW系統(tǒng))。
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(tǒng)成本-2015”。
系統(tǒng)
上標注釋:
技術目標不包括儲氫、電子和驅(qū)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(chǎn)成本(每年50萬套系統(tǒng))。
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(guī)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(lián)社,豐田公司開發(fā)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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