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美国能源部(DOE)发布燃料电池长途卡车技术发展路线图(六)

时间:  2020-02-19 16:13  来源:  氢智会编译   作者:  编辑部

电动动力总成系统逐渐成为先进卡车技术产品组合的重要组成部分,美国能源部(DOE)正在为氢燃料电池卡车和动力电池卡车设定详细的技术目标。2019年12月12日,美国能源部燃料电池8级卡车发展目标获得批准。

以下为技术目标的具体的内容,氢智会分六次进行推送,以下为第六篇,即最后一篇。

  美国能源部先进卡车技术 电动动力总成路线图氢燃料长途卡车的技术目标

1、这些目标值在简单拥有成本估算中可以量化目标如何影响简单拥有成本。 这些简化的简单拥有成本估算仅考虑前期资本成本和终生燃料成本,而不考虑任何融资、车辆寿命内燃料成本的变化或税收抵免。所有费用均以2018年美元计。动力总成之间的所有非动力总成改进(例如空气动力学、轻量化、传动系统和配件效率)都是相同的。

2、燃料经济性的提高使得船上储氢和燃料电池功率的大小和成本可降至60 公斤氢气和240 kW(远期假设)。然后根据成本目标计算储氢成本和燃料电池系统成本。 中期成本和远期成本假定了商业生产量(100,000辆/年)。所有构成部分均采用简化的20%标记。

3、假设电池的远期成本为1,500美元,电动机和电力电子设备的远期成本为4,500美元(轻型车辆牵引电动机和电力电子设备的成本目标为 6 美元/千瓦的两倍),车辆底盘成本为75,000美元,柴油机处理后的远期基准排放成本为20,000美元,运输成本为8,700美元,废热回收系统的远期成本为5,000美元。 所有构成部分均采用简化的20%标记。

4、总寿命成本÷车辆的寿命目标=美元 /英里的值。

5、假设柴油机的值为《美国能源信息署2018年度能源展望》中柴油燃料成本的预测值。现阶段(2019年)的燃料成本= 2.78美元/加仑; 中期(2030)的燃料成本= 3.73 美元/加仑;2050年(远期)的燃料成本=  4.09美元/加仑。这些成本包括联邦税和州税,不包括县税和地方税。

6、氢气的成本目标是4美元/公斤(不含税)。考虑到2015年的通货膨胀率和0.50美元的税费,并与其他分析相一致,估算在加注环节氢气的拥有成本为5美元/公斤。

7、根据美国能源部的氢气生产目标,假设远期的加氢成本目标为4美元/公斤:

https://energy.gov/eere/fuelcells/downloads/fuel-cell-technologies-office-multi-year-research-development-and-22.

附录:重型卡车燃料电池系统的性能:初步研究成本目标和效率目标制定的寿命周期分析

范围和局限性

这项研究于2017年进行,旨在帮助人们了解燃料电池在轻型车辆(LDV)中的部署潜力。 后来,研究结果被用于寿命周期的初步分析,以制定重型卡车燃料电池系统的成本目标和效率目标。

鉴于这项研究尚处于初期,研究结果不应被用来确定中型及重型卡车燃料电池的性能目标。特别是为确定能满足卡车热量管理要求的工作温度和电池电压的极限,仍在进行持续的研究工作; 膜及电极的耐久性需达到30,000小时和1百万英里寿命; 部分负荷性能效率能在寿命周期成本方面达到和超过柴油卡车的效率。.

主要的研究假设

加压燃料电池系统

· 额定功率下的电堆入口压力:2.5个标准大气压

· 额定功率下电堆冷却液出口温度: 94°C36 空气管理系统

· 离心压缩机扩散器模块

· 额定流量下的寄生功率:662 mV电池电压质子交换膜燃料电池电堆的净电功率7 kW

· 高表面积碳载体上的合金阴极催化剂37:0.1–0.4LPt毫克/ 平方厘米铂负载量(LPt(c)),铂/ 碳 = 0.3,38碘/ 碳 = 1.0,650 A / gPt 质量活度

· 铂阳极催化剂(Pt / C),0.025 毫克/ 平方里面铂负载量

• 增强的全氟磺酸膜,39850艾瓦,用化学添加剂,厚度14-μm,80°C,100%RH,1 个标准大气压氢气分压下的交叉电流密度为4.2 毫安/ 平方厘米

· 化学计量:1.5(阴极),2.0(阳极)

· 相对湿度:阴极进口处为75%,75%,2.5 个标准大气压; 氢气入口处为42%,94°C,2.5个标准大气压的其他寄生损耗40

· 冷却液泵:500 We

· 氢气循环泵:400 We

· 散热器风扇:345 We

图A-1. 阿贡国家实验室2018年80kWe净燃料电池系统参考配置,适用于带有被动氢气循环的轻型车辆。 对本研究而言,可将多个轻型车辆系统组合在一个或多个模块中,从而产生燃料电池卡车所需的功率,而混合燃料系统取代了阿贡国家实验室2017年配置中的氢喷射器/喷射器。 实际上,两个燃料电池系统可以共用一个空气管理系统或燃料管理系统。 此外,单个散热器可以服务所有的热管理系统。

建模的功率密度

图 A-2. 将额定功率下电堆功率密度建模为电池电压和阴极铂载量的函数。电堆建模基于在高表面积碳(HSC)上负载的脱合金Pt-Ni催化剂的差分电池数据,请参阅《2016 年燃料电池017 最小需求量(AMR)进程》。 如《2019年燃料电池017 AMR进程》所述,将对结果进行修订以反映使用d-PtCo / HSC催化剂测得的更高性能。

建模的极化曲线图

图A-3. 建模的电堆极化曲线图。 在额定功率下,电堆入口压力为2.5 个标准大气压,冷却液温度升高10°C(ΔTc),在出口达到94°C。 电堆堆的运行压力、冷却液入口温度,入口氢气和空气相对湿度以及ΔTc在较低的电流密度(即电堆功率)下都会降低。电堆中的局部电流密度不是恒定的,而是随位置而变化的,平均值绘制在x轴上。

燃料电池系统(FCS)效率图

图A-4. 将稳态燃料电池系统效率建模为功率的函数。 最近的模拟表明,通过重新优化CEM运行图、电堆入口压力和低功率下的冷却液出口温度,可以实现更高的峰值效率。
 



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