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原创编译|美国能源部DOE燃料电池系统技术目标(四)

时间:  2020-03-04 18:22  来源:  氢智会编译   作者:  郭阳阳

美国燃料电池技术办公室“多年研究、开发和示范(MYRD&D)计划”陈述了燃料电池技术办公室(FCTO)(隶属于美国能源部能效和可再生能源办公室(EERE))的所有活动目标、目的、技术目标、任务和时间表。MYRD&D计划是一份现成的文件,会定期进行修订以反映技术的进展,对发展时间表和目标的修订,基于外部审查的更新以及FCT办公室范围的变更。

该文件于2003年首次发布,并于2005年进行了修订。该文件在2012年进行了重大修订,以反映科学进步和不断变化的技术格局。对MYRD&D计划所做的任何修订均通过严格的变更控制流程进行,如本报告的“系统集成”部分所述。能源部内部的氢和燃料电池活动继续受到氢和燃料电池界利益相关者的广泛关注,其中包括国家研究委员会和美国国家工程院的专家组。

本次编译内容是文件的附件-PEM燃料电池及其组件测试方案。

表P.1至P.11中列出了与美国汽车能效和车用能源可持续研发创新计划(U.S. DRIVE)燃料电池技术团队合作制定的燃料电池和燃料电池组件的测试方案。

表P.1中的电催化剂方案旨在通过使用电压方波评估阴极电催化剂的耐久性,其中连续的表面氧化和还原循环会加速催化剂的降解。该方案使用的电压范围与汽车行驶工况的预期电压范围相似,旨在最大程度地降低催化剂的降解,同时将载体腐蚀降至最低。该方案旨在测试碳基载体上负载铂族基催化剂,测试不同种类的材料可能需要对其进行修改。

a. 在测量每个指标之前,应使用例如表P.9中所示的方案来弥补可逆损失。

b. 质量活性(A/mg)@H2/O2 900mV欧姆极化矫正,背压150kPa(绝对压力),相对湿度100%,80℃,阳极化学计量比2;阴极化学计量比9.5。建议最短持续时间为15分钟,并根据最后1分钟的平均电流计算质量活性。应在低电流下测量多个点,并应根据这些测量确定0.9V(不考虑欧姆极化补偿)电位。测量的氧还原反应电流可针对H2渗透进行校正。根据Gasteiger等人发布的方案,应用催化B:Environmental, 56 (2005): 9–35。

c. 每个方案的极化曲线见表P.6。

表P.2中的催化剂载体方案使用快速三角波电压循环加速催化剂载体腐蚀,同时将催化剂本身的降解降到最低。本方案中使用的电位范围与未触发系统启动或关闭时的电位范围相似。该方案旨在测试碳基载体上负载铂族基催化剂,测试不同种类的材料可能需要对其进行修改。

a. 在测量每个指标之前,应使用例如表P.9中所示的方案来弥补可逆损失。

b. 质量活性(A/mg)@H2/O2 900mV欧姆极化矫正,背压150kPa(绝对压力),相对湿度100%,80℃,阳极化学计量比2;阴极化学计量比9.5,催化剂初始质量和测试前后质量归一化。根据Gasteiger等人发布的方案,应用催化B:Environmental, 56 (2005): 9–35。测量的氧还原反应电流可针对H2渗透进行校正。

每个方案的极化曲线见表P.6。

表P.3中的MEA化学稳定性方案使用连续保持开路电压来加速自由基的产生,这些自由基会导致膜和其他MEA组件的降解。

a. 在80℃,一个标准大气压下进行测试,MEA中充分湿润的氢气。见M. Inaba等人,电化学学报,51 (2006):5746。

b. 氢渗透和OCV目标应在0kPa压差和50kPa阳极相对于阴极的超压下实现,分别提供对整体膜变薄和成孔的敏感性。

c. 应使用例如表P.9中所示的方案来弥补可逆损失,至少每24小时一次,并在测量每个指标之前。

d. 在0.5V外加电位、80℃、100%RH N2/N2下测量。气体扩散层(GDL)压缩至20%应变。

表P.4中的膜机械方案通过使用湿度循环来测试膜的耐久性,湿度循环会引起膜的反复溶胀和收缩,从而加速膜裂纹和孔的形成和生长。

a. 在80℃,一个标准大气压下进行测试,MEA中充分湿润的氢气。见M. Inaba等人,电化学学报,51 (2006):5746。在相对湿度0%条件下干燥2分钟后记录渗透。氢渗透目标应在0kPa压差和50kPa阳极超压下实现,分别提供对整体膜变薄和成孔的敏感性。

b. 对于空气或N2测试,在20 kPa压差,80ºC和100%RH的条件下,0.1sccm/cm2等效渗透量可以用作替代。

c. 在0.5V外加电位、80℃、100%RH N2/N2下测量。气体扩散层(GDL)压缩至20%应变。

表P.5中的化学/机械方案检查了湿度循环和自由基形成对膜耐久性的综合影响。虽然化学和机械降解是通过不同的机理发生的,但是每种模式都可能加速另一种模式,当同时存在化学和机械应力时,看起来具有良好化学稳定性和良好机械稳定性的膜可能会失效。

a. 在LANL的测试中,选择了30s干和45s湿的步骤持续时间,以使干步骤结束时高频阻抗为湿步骤结束时高频阻抗的2.5倍,约等于进行机械测试时的高频阻抗比(表P.4)。 根据所使用的硬件,可能需要调整这些步骤时间以实现相同的高频阻抗变化。

b. 在80℃,一个标准大气压下进行测试,MEA中充分湿润的氢气。见M. Inaba等人,电化学学报,51 (2006):5746。在相对湿度0%条件下干燥2分钟后记录渗透。

c. 氢渗透和OCV目标应在0kPa压差和50kPa阳极超压下实现,分别提供对整体膜变薄和成孔的敏感性。

d. 应使用例如表P.9中所示的方案来弥补可逆损失,至少每24小时一次,并在测量每个指标之前。

e. 在0.5V外加电位、80℃、100%RH N2/N2下测量。气体扩散层(GDL)压缩至20%应变。
 



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