中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：成本、性能和耐久性是燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料(質(zhì)子膜、電催化劑、膜電極和雙極板)，關(guān)鍵部件(電堆、加濕器和空壓機(jī))和燃料電池系統(tǒng)，美國(guó)DOE對(duì)上述8項(xiàng)作出了至2020年的技術(shù)目標(biāo)。2020年將至，美國(guó)DOE的這些燃料電池技術(shù)指標(biāo)你能完成了嗎。
作為美國(guó)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(shù)部門的”多年研究、開發(fā)和示范項(xiàng)目“(Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan)指明了有關(guān)燃料電池所有活動(dòng)的目標(biāo)、目的、技術(shù)目標(biāo)、任務(wù)和時(shí)間表。其中，針對(duì)交通領(lǐng)域車用質(zhì)子交換膜燃料電池，該項(xiàng)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(jī)和燃料系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)。
質(zhì)子交換膜
上標(biāo)注釋：
a 膜電極在溫度80°C的氧氣或氫氣中測(cè)試，氣體完全濕潤(rùn)，總壓力為1個(gè)大氣壓。
b 納米纖維支撐的14 μm PFIA膜。
c 增強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定的PFIA膜。
d 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬(wàn)套80 kW系統(tǒng))。
e 每年生產(chǎn)50萬(wàn)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(jìn)行測(cè)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(biāo)注釋：
a 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本目標(biāo)，可能再進(jìn)一步降低貴金屬含量和載量。
b 額定功率工作點(diǎn)取決于膜電極溫度?；谀繕?biāo)值Q/ΔTi=1.45 kW/°C，定義額定工況工作點(diǎn)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(shù)指標(biāo)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(jià)值評(píng)估。
d 基于膜電極在150 kPa絕壓時(shí)的總功率，并在0.692 V和90°C下測(cè)得，滿足Q/ΔT<1.45 kW/°C。若在250 kPa的絕對(duì)壓力下，目標(biāo)值為0.12 g/kW。
e 使用表P.1中的協(xié)議進(jìn)行測(cè)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(jià)值評(píng)估。
g 使用表P.2中的協(xié)議進(jìn)行測(cè)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(jià)值評(píng)估。
i 參考LANL機(jī)構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì)”年度價(jià)值評(píng)估。
j 目標(biāo)值相當(dāng)于在載量0.1 mgPGM/cm2時(shí)催化劑質(zhì)量比活性為0.44 A/mgPGM的目標(biāo)。(PGM: Platinum group metal)
膜電極
上標(biāo)注釋：
a 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬(wàn)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(yàn)規(guī)程，使用510催化劑(陽(yáng)/陰極載量為0.2/0.4 mgPGM/ cm2)的戈?duì)柲る姌O在1.0-1.5 A/cm2電密區(qū)間電壓降低10％之前的時(shí)間。
d 溫度區(qū)間在80°C至最高溫度或更高。根據(jù)表P.6和表P.7中的極化曲線和耐用性測(cè)試協(xié)議，測(cè)試后額定功率下降<10％。
e 根據(jù)表P.8中的協(xié)議測(cè)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(cè)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(jìn)度報(bào)告。
h 使用表P.6中的極化曲線協(xié)議進(jìn)行測(cè)量，但可以使用任何溫度到最高工作溫度的溫度范圍，最大入口RH為40％。額定功率工作點(diǎn)和電催化劑技術(shù)目標(biāo)的注釋b相同。
i 在絕壓150 kPa時(shí)面積比功率為810 mW/cm2，在絕壓250 kPa時(shí)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(cè)量的1.0 A/cm2電密運(yùn)行下30°C時(shí)電壓與80°C時(shí)電壓之比。露點(diǎn)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(yáng)/陰)的Gore膜電極和SGL GDL(25BC/25BC)在LANL進(jìn)行的測(cè)試。
l 使用基于表P.6中極化曲線協(xié)議下測(cè)量的1.0 A/cm2電密運(yùn)行下90°C時(shí)電壓與80°C時(shí)電壓之比。露點(diǎn)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(cè)量瞬態(tài)30°C時(shí)電壓與80°C 1.0 A/cm2穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電壓之比。露點(diǎn)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(fù)到1 A/cm2，恢復(fù)到1 A/cm2后測(cè)量電壓5秒鐘。
雙極板
上標(biāo)注釋：
a 膜電極達(dá)到1000 mW/cm2性能且大批量生產(chǎn)(每年50萬(wàn)套80 kW系統(tǒng))的成本。
b 每年生產(chǎn)50萬(wàn)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(jìn)展報(bào)告。
d 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體傳輸測(cè)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(dòng)態(tài)電壓測(cè)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(cè)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(jìn)展報(bào)告。
k 包括根據(jù)Wang等人的方法測(cè)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(qiáng)和增強(qiáng)塑料及電絕緣材料的彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。
m 參考Porvair的D. Haack等人2007年“碳-碳雙極板”年度進(jìn)度報(bào)告。
n 根據(jù)ASTM E8M-01金屬材料拉伸測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法或其他方法。
o 參考橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室M. Brady等人的2010年“氮化金屬雙極板”年度進(jìn)展報(bào)告。
電堆
上標(biāo)注釋：
該部分所指電堆不包括儲(chǔ)氫、電子、驅(qū)動(dòng)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(lái)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。
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(cè)量。
g 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬(wàn)套堆)。
h 根據(jù)DOE燃料電池技術(shù)辦公室燃料電池子項(xiàng)目下開發(fā)和驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(laboratory scale)的最新組件分析，且每年生產(chǎn)50萬(wàn)套。
i 與膜電極技術(shù)目標(biāo)注釋d相同。
j 參考J. Kurtz等人“年度燃料電池電動(dòng)汽車評(píng)估”(2015年年度價(jià)值評(píng)估)報(bào)告，10％電壓降級(jí)。
k 根據(jù)表P.8中的協(xié)議測(cè)量，在1.2 A/cm2電密工況點(diǎn)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(shù)目標(biāo)假設(shè)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(jìn)行測(cè)量(入口加濕和冷卻液出口溫度除外)。入口加濕最高RH40％，冷卻液出口溫度可達(dá)最高工作溫度，陰陽(yáng)極入口壓力最高為150 kPa(絕對(duì)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(jī)
上標(biāo)注釋：
a 完全集成的空壓機(jī)系統(tǒng)在臺(tái)架測(cè)試中電機(jī)控制器的輸入功率。完全集成空壓機(jī)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)電子、過(guò)濾器以及用于冷卻的其他空氣設(shè)備。
b 壓縮機(jī)：流量92 g/s，排出壓力為2.5 bar(絕對(duì)值)；入口條件40°C，25％RH。膨脹機(jī)：流量88 g/s，入口壓力為2.2 bar(絕對(duì))，入口條件70°C，100％RH。
c 壓縮機(jī)：流量23 g/s，最小排出壓力為1.5 bar(絕對(duì)壓力)；入口條件40°C，25％RH。膨脹機(jī)：流量23 g/s，入口壓力為1.4 bar(絕對(duì))，入口條件70°C，100％RH。
d 壓縮機(jī)：流量4.6 g/s，最小排出壓力為1.2 bar(絕對(duì)壓力)；入口條件40°C，25％RH。膨脹機(jī)：流量4.6 g/s，<壓縮機(jī)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(cè)試。
f 重量和體積包括電機(jī)和電機(jī)控制器。
g 每年50萬(wàn)套制造量。
h 包括每年制造50萬(wàn)套系統(tǒng)的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和電機(jī)控制器的成本。
加濕器
上標(biāo)注釋：
a 參考2013年2月戈?duì)枅?bào)告”低成本、高性能燃料電池加濕器的材料和模塊“。
b 進(jìn)入干燥空氣：干氣流量3000 SLPM，183 kPa(絕對(duì)值)，80°C，0％RH。進(jìn)入濕空氣：干氣流量2600 SLPM，160 kPa(絕對(duì)值)，80°C，85％RH。
c 根據(jù)表P.11中的協(xié)議執(zhí)行耐久性測(cè)試。
d 大批量生產(chǎn)成本(每年50萬(wàn)套80 kW系統(tǒng))。
e 參考美國(guó)能源部15015氫能和燃料電池項(xiàng)目記錄“燃料電池系統(tǒng)成本-2015”。
系統(tǒng)
上標(biāo)注釋：
技術(shù)目標(biāo)不包括儲(chǔ)氫、電子和驅(qū)動(dòng)。
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(wàn)套系統(tǒng))。
g 與電堆技術(shù)目標(biāo)注釋h相同。
h 基于2010年SAE世界大會(huì)報(bào)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(dòng)過(guò)程中消耗的電能。
j 與電堆技術(shù)目標(biāo)注釋j相同。
k 與電堆技術(shù)目標(biāo)注釋i相同。
l 與電堆技術(shù)目標(biāo)注釋k相同。
m 在規(guī)定溫度下浸泡8小時(shí)。
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(dòng)力車，2008年6月6日。
附表和附圖：
