2020年已至，美國(guó)能源部燃料電池技術(shù)指標(biāo)都完成了嗎？

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年已至，美國(guó)DOE的這些燃料電池技術(shù)指標(biāo)都完成了嗎？

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*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(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。基于目標(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/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(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gao工作溫度的溫度范圍，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/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(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xin組件分析，且每年生產(chǎn)50萬套。

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gaoRH40％，冷卻液出口溫度可達(dá)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(jī)

上標(biāo)注釋：

a *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。*集成空壓機(jī)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(shè)備。

b 壓縮機(jī)：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(jī)：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(jī)：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(jī)：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(jī)：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(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50萬套制造量。

h 包括每年制造50萬套系統(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（值），80°C，0％RH。進(jìn)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(cè)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(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：