2020年已至，美国能源部燃料电池技术指标都完成了吗？-尊龙凯时·中国官方网站

成本、性能和耐久性是燃料电池商业化的关键挑战。针对质子交换膜燃料电池关键材料（质子膜、电催化剂、膜电极和双极板），关键部件（电堆、加湿器和空压机）和燃料电池系统，美国doe对上述8项作出了至2020年的技术目标。2020年已至，美国doe的这些燃料电池技术指标都完成了吗？

作为美国能源部能效与可再生能源办公室的下属部门，燃料电池技术部门的”多年研究、开发和示范项目“（multi-year research, development and demonstration plan）指明了有关燃料电池所有活动的目标、目的、技术目标、任务和时间表。其中，针对交通领域车用质子交换膜燃料电池，该项目文件显示了至2020年质子膜、电催化剂、膜电极、双极板、电堆、加湿器、空压机和燃料系统的技术目标。

质子交换膜

上标注释：

a 膜电极在温度80°c的氧气或氢气中测试，气体*湿润，总压力为1个大气压。

b 纳米纤维支撑的14 μm pfia膜。

c 增强和化学稳定的pfia膜。

d 大批量生产成本（每年50万套80 kw系统）。

e 每年生产50万套系统的质子膜成本。

f 根据表p.3、表p.4和表p.5中协议进行测量。（所有附表和附图见文末）

g 可将在50 kpa压差，80℃和100％rh的条件下0.1 sccm/cm2的渗透量作为等效参考。

电催化剂

上标注释：

a 为实现系统成本目标，可能再进一步降低贵金属含量和载量。

b 额定功率工作点取决于膜电极温度。基于目标值q/δti=1.45 kw/°c，定义额定工况工作点电压v=77.6/（22.1 t[°c]）。膜电极温度近似等于电堆冷却液出口温度。q/δti的定义见电堆技术指标注释i。

c 参考steinbach等人发布的2014年“高性能、高耐久性和低成本的膜电极组件”年度价值评估。

d 基于膜电极在150 kpa绝压时的总功率，并在0.692 v和90°c下测得，满足q/δt<1.45 kw/°c。若在250 kpa的压力下，目标值为0.12 g/kw。

e 使用表p.1中的协议进行测量。

f 参考通用汽车公司kongkanand等人的2014年“高活性脱硫催化剂”年度价值评估。

g 使用表p.2中的协议进行测量。

h 参考b. popov等人2015年“用于pem燃料电池的超低掺杂pt阴极催化剂的开发”年度价值评估。

i 参考lanl机构p. zelenay等人的2016年“非贵金属燃料电池阴极：催化剂的开发和电极结构设计”年度价值评估。

j 目标值相当于在载量0.1 mgpgm/cm2时催化剂质量比活性为0.44 a/mgpgm的目标。（pgm: platinum group metal）

膜电极

上标注释：

a 大批量生产成本（每年50万套80 kwnet系统）。

b 每年生产50套系统的膜电极成本。

c 按照表p.7的耐久性试验规程，使用510催化剂（阳/阴极载量为0.2/0.4 mgpgm/ cm2）的戈尔膜电极在1.0-1.5 a/cm2电密区间电压降低10％之前的时间。

d 温度区间在80°c至gao温度或更gao。根据表p.6和表p.7中的极化曲线和耐用性测试协议，测试后额定功率下降<10％。

e 根据表p.8中的协议测量，在1.2 a/cm2电密工作下电压下降小于5％。

f 使用表p.6中的极化曲线协议测量。

g 参考通用汽车公司kongkanand等人2014年“高活性脱硫催化剂”年度进度报告。

h 使用表p.6中的极化曲线协议进行测量，但可以使用任何温度到gao工作温度的温度范围，大入口rh为40％。额定功率工作点和电催化剂技术目标的注释b相同。

i 在绝压150 kpa时面积比功率为810 mw/cm2，在绝压250 kpa时面积比功率为1060 mw/cm2。

j 使用基于表p.6中极化曲线协议下测量的1.0 a/cm2电密运行下30°c时电压与80°c时电压之比。露点温度25°c仅用于30°c温度操作。

k 基于使用高阴极载量（0.1/0.4 mgpgm/cm2阳/阴）的gore膜电极和sgl gdl（25bc/25bc）在lanl进行的测试。

l 使用基于表p.6中极化曲线协议下测量的1.0 a/cm2电密运行下90°c时电压与80°c时电压之比。露点温度59°c用于90°c和80°c温度操作。

m 使用基于表p.6中极化曲线协议下测量瞬态30°c时电压与80°c 1.0 a/cm2稳态工作时电压之比。露点温度25°c仅用于30°c温度操作。30°c瞬态工况指在1 a/cm2电密下持续至少15分钟，然后不改变操作条件，降低至0.1 a/cm2并持续3分钟；3分钟后，电流密度再恢复到1 a/cm2，恢复到1 a/cm2后测量电压5秒钟。

双极板

上标注释：

a 膜电极达到1000 mw/cm2性能且大批量生产（每年50万套80 kw系统）的成本。

b 每年生产50万套系统的双极板成本。

c 参考treadstone c.h. wang2012年“低成本质子交换膜燃料电池金属双极板”年度进展报告。

d 根据标准气体传输测试（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动态电压测试， -0.4 v to 0.6 v （ag/agcl））， 用ar吹扫除气。

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）恒电位测试超24 h），充气溶液。

j 参考graftech的o. adrianowycz等人2009年“用于汽车pem燃料电池的下一代双极板”年度进展报告。

k 包括根据wang等人的方法测得的界面接触电阻。wang, et al. j. power sources 115 （2003） 243–251 at 200 psi （138 n/cm2）。

i astm-d 790-10非增强和增强塑料及电绝缘材料的弯曲性能标准测试方法。

m 参考porvair的d. haack等人2007年“碳-碳双极板”年度进度报告。

n 根据astm e8m-01金属材料拉伸测试的标准测试方法或其他方法。

o 参考橡树岭国家实验室m. brady等人的2010年“氮化金属双极板”年度进展报告。

电堆

上标注释：

该部分所指电堆不包括储氢、电子、驱动和热、水、空气管理系统等燃料电池附件。

c 净功率（电堆功率减去bop功率）。体积是“box”体积，包括死空间。

d 新闻稿：丰田汽车公司于2012年9月24日宣布其未来技术发展状况。

e m. hanlon, "nissan doubles power density with new fuel cell stack," oct 13, 2011。

f 使用表p.6中的极化曲线协议测量。

g 大批量生产成本（每年50万套堆）。

h 根据doe燃料电池技术办公室燃料电池子项目下开发和验证的实验室规模（laboratory scale）的xin组件分析，且每年生产50万套。

i 与膜电极技术目标注释d相同。

j 参考j. kurtz等人“年度燃料电池电动汽车评估”（2015年年度价值评估）报告，10％电压降级。

k 根据表p.8中的协议测量，在1.2 a/cm2电密工况点的电压下降小于5％。

l q/δti=[电池组功率（90 kw）x（1.25 v-额定功率下的电压）/（额定功率下的电压）]/[（电池组冷却液温度-环境温度]]。技术目标假设80 kw净功率需要90 kw功率电堆，并且使用表p.6中的极化曲线协议进行测量（入口加湿和冷却液出口温度除外）。入口加湿gaorh40％，冷却液出口温度可达gao工作温度，阴阳极入口压力gao150 kpa（值）。

m 基于0.67 v电压和电堆冷却液出口温度80°c。

n 与膜电极注释j相同。

o 与膜电极注释i相同。

p 与膜电极注释m相同。

空压机

上标注释：

a *集成的空压机系统在台架测试中电机控制器的输入功率。*集成空压机系统包括控制系统电子、过滤器以及用于冷却的其他空气设备。

b 压缩机：流量92 g/s，排出压力为2.5 bar（值）；入口条件40°c，25％rh。膨胀机：流量88 g/s，入口压力为2.2 bar（），入口条件70°c，100％rh。

c 压缩机：流量23 g/s，小排出压力为1.5 bar（压力）；入口条件40°c，25％rh。膨胀机：流量23 g/s，入口压力为1.4 bar（），入口条件70°c，100％rh。

d 压缩机：流量4.6 g/s，小排出压力为1.2 bar（压力）；入口条件40°c，25％rh。膨胀机：流量4.6 g/s，<压缩机排气压力，入口条件70°c，20％rh。

e 根据表p.10中的协议执行耐久性测试。

f 重量和体积包括电机和电机控制器。

g 每年50万套制造量。

h 包括每年制造50万套系统的压缩机、膨胀机和电机控制器的成本。

加湿器

上标注释：

a 参考2013年2月戈尔报告”低成本、高性能燃料电池加湿器的材料和模块“。

b 进入干燥空气：干气流量3000 slpm，183 kpa（值），80°c，0％rh。进入湿空气：干气流量2600 slpm，160 kpa（值），80°c，85％rh。

c 根据表p.11中的协议执行耐久性测试。

d 大批量生产成本（每年50万套80 kw系统）。

e 参考美国能源部15015氢能和燃料电池项目记录“燃料电池系统成本-2015”。

系统

上标注释：

技术目标不包括储氢、电子和驱动。

b 直流输出能量与燃料氢低热值的比率。峰值效率低于额定功率的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 大批量生产成本（每年50万套系统）。

g 与电堆技术目标注释h相同。

h 基于2010年sae世界大会报告平均值（w. sung, y-i. song, kkh yu, t.w. lim, sae-2-10-01-1089）。

i 氢气的低热值能量，包括低温启动过程中消耗的电能。

j 与电堆技术目标注释j相同。

k 与电堆技术目标注释i相同。

l 与电堆技术目标注释k相同。

m 在规定温度下浸泡8小时。

n 新闻稿：本田公司展示fcx概念车，2006年9月25日；美联社，丰田公司开发了新型燃料电池混合动力车，2008年6月6日。

附表和附图：