氢电混合动力电动汽车研究与展望.pptx

氢电混合动力电动汽车研究与展望氢电混合动力电动汽车研究与展望从从GEF/UNDP 燃料电池公共汽车示范可行性论证燃料电池公共汽车示范可行性论证(1996.10-2008.7)，到电动汽车到新能源汽车示范应用（，到电动汽车到新能源汽车示范应用（2001-2011）前言前言燃料电池汽车动力系统设计燃料电池汽车动力系统设计燃料电池汽车动力系统设计燃料电池汽车动力系统设计储氢容器Hydrogencylinder超级电容器Supercapacitor燃料电池发动机FuelcellengineDC-DCMotor冷却器Cooling氢气加注口Hydrogenfillingport“创新一号创新一号”燃料电池巴士在上海交通大学建校燃料电池巴士在上海交通大学建校110周年庆在闵行校园内运行周年庆在闵行校园内运行2008北京奥运会燃料电池汽车北京奥运会燃料电池汽车20082008北京奥运会期间，上海汽车集团开发了北京奥运会期间，上海汽车集团开发了北京奥运会期间，上海汽车集团开发了北京奥运会期间，上海汽车集团开发了2020辆帕萨特领驭燃料电池轿车组成燃料电池辆帕萨特领驭燃料电池轿车组成燃料电池辆帕萨特领驭燃料电池轿车组成燃料电池辆帕萨特领驭燃料电池轿车组成燃料电池引导车队。另外有引导车队。另外有引导车队。另外有引导车队。另外有3 3辆燃料电池巴士在运行。辆燃料电池巴士在运行。辆燃料电池巴士在运行。辆燃料电池巴士在运行。世博会期间，共有世博会期间，共有196辆燃料电池汽车在运行中，是所有新辆燃料电池汽车在运行中，是所有新能源汽车中表现最稳定的。能源汽车中表现最稳定的。u90辆燃料电池轿车辆燃料电池轿车u6辆燃料电池巴士辆燃料电池巴士u100燃料电池观光车燃料电池观光车2010上海世博会燃料电池汽车上海世博会燃料电池汽车uuIn January 2011,Shanghai was selected as In January 2011,Shanghai was selected as the electric vehicle the electric vehicle(EV)international pilot city(EV)international pilot city.uuBy 2010,over By 2010,over 10,00010,000 EVs have been deployed.EVs have been deployed.13,00013,000 charging charging piles,piles,1515 charging/battery swapping stations,charging/battery swapping stations,3 3 H H2 2 refueling stations refueling stations will be built,and will be built,and 71817181 NEV were produced in 2010.NEV were produced in 2010.uuCombining the subsidy policy for private electric vehicles(EVs)Combining the subsidy policy for private electric vehicles(EVs)purchase in China and Shanghai purchase in China and Shanghai EVEV type types sBusBusCarCarShanghaiShanghaiFCEVFCEV￥600,000￥250,000AEVAEV￥500,000￥60,000+￥40,000PHEVPHEV￥420,000￥50,000+￥20,000Note:Centralgovernmentsubsidylevel:3000RMB/kWh;Shanghaicitysubsidylevel2000RMB/kWh氢能是可再生能源和用户的最好桥梁氢能是可再生能源和用户的最好桥梁u氢可以将可再生能源的多余电力储存起来氢可以将可再生能源的多余电力储存起来u氢可以将风能的低质量电力变成优质电源氢可以将风能的低质量电力变成优质电源u氢能可以使风能免除电网份额的限制氢能可以使风能免除电网份额的限制u氢能可将再生能源的电变为汽车的动力氢能可将再生能源的电变为汽车的动力8车载储能技术演变过程车载储能技术演变过程100年年储电（蓄电池）储电（蓄电池）储油箱（汽柴油）储油箱（汽柴油）储电（蓄电池）储电（蓄电池）+储油储油?(HEV)储氢储氢+燃料电池燃料电池？未来汽车动力特点：能量多样性未来汽车动力特点：能量多样性车载储能密度比较车载储能密度比较Battery improvements are expected,but still 100X lower density than liquid fuel.Hydrogen has significantly higher storage density than batteries Weight&Volume of Energy Storage System for 300 mile Range车载储能系统重量与体积比较车载储能系统重量与体积比较Application Map Meeting Customer Needs There is no single silver bullet 实施时间：2009.4-2013.1Hawaii Hydrogen Power Park车载储能技术：新能源汽车核心车载储能技术：新能源汽车核心蓄电装置蓄电装置储氢装置储氢装置燃料电池堆燃料电池堆电动机电动机多能源控制器多能源控制器氢电混合燃料电池汽车动力基本结构氢电混合燃料电池汽车动力基本结构氢电混合燃料电池汽车动力基本结构氢电混合燃料电池汽车动力基本结构GM Project Driveway Vehicle Deployment Real World ExperienceGMGM has developed 100 fuel cell vehicles.This fuel cell vehicles are running in NY,CA and CT state in US.Fuel cell technology is ready for commercialization.UTC Power Transit Bus Fuel Cell System Sets Durability RecordUTCPowerslatest-generationPureMotion(r)SystemModel120fuelcellpowerplantsforhybrid-electrictransitbuseshassurpassed10,000operatinghoursinreal-worldservicewithitsoriginalcellstacksandnocellreplacements.ThispowerplantisaboardanAlameda-ContraCostaTransitDistrict(ACTransit)busoperatingintheGreaterOakland,Calif.area.(August10,2011)Toyota Aims for$50,000 Fuel-Cell Car by 2015May 7,2010:Toyota says it has cut the cost of building fuel-cell vehicles by 90 percent and could sell its first hydrogen vehicle for$50,000 by 2015http:/ far DaimlerDaimler has built over 100 fuel cell vehicles that have accumulated over 2.3 million miles of testing.HyundaiHyundai also recently announced that they want to build fuel cell vehicles in that same timeOct9,2010:DaimlerisnowacceptingordersfromcustomersinLosAngelesandSanFranciscotoleasetheMercedesB-ClassF-Cellhydrogenfuelcellcar.Thefirst5-15carswillbedeliveredinmid-December2010.Thepricepermonthtoleasethecar“maybe$600to800includingfuel.”DaimlertobeginleasinghydrogenfuelcellcarinCaliforniainDecember2010梅赛德斯梅赛德斯-奔驰奔驰B B级燃料电池车级燃料电池车2011年年1月月30日，梅赛德斯日，梅赛德斯-奔驰启动了一场前所未有的长途奔驰启动了一场前所未有的长途旅行旅行梅赛德斯梅赛德斯-奔驰奔驰B级燃料电池车环球之旅。级燃料电池车环球之旅。梅赛德斯梅赛德斯-奔驰奔驰B B级燃料电池车级燃料电池车B 级燃料电池车的驱动系统采用了级燃料电池车的驱动系统采用了最最新一代燃料电池技术新一代燃料电池技术，相比，相比2004款梅款梅赛德斯赛德斯-奔驰奔驰 A 级燃料电池车的驱动级燃料电池车的驱动系统，体积缩小约系统，体积缩小约40%，燃料消耗降，燃料消耗降低低 30%，但输出功率却增加了，但输出功率却增加了 30%。B 级燃料电池车驱动系统的级燃料电池车驱动系统的主要部件主要部件包括：小型氢气燃料电池反应堆、位包括：小型氢气燃料电池反应堆、位于后备箱底部的高效能的锂离子电池、于后备箱底部的高效能的锂离子电池、三个三个700巴高压储氢罐、一个位于前巴高压储氢罐、一个位于前轴的紧凑的、轻量化的驱动电机轴的紧凑的、轻量化的驱动电机B级燃料电池车级燃料电池车续航里程续航里程达到了达到了400公公里，而每次充满燃料仅需里，而每次充满燃料仅需3分钟，通分钟，通过移动加氢站补充满燃料的时间也仅过移动加氢站补充满燃料的时间也仅为为20分钟。非常适合长途旅行以及日分钟。非常适合长途旅行以及日常使用。常使用。TheAudiHydrogenA2H2carwaspoweredbothdirectlybythePEMfuelcellasneededandthe38kwNiMHtractionbatterypack,containsthreeDynetekhydrogenstoragetanksatapressureof350bar,foratotalcapacityof1.8kg(3.96lb.)ofcompressedhydrogen.TheAudiQ5HFChasa98kwPEMfuelcellanda1.3kwhlithiumionbatterypack,wasintroducedinBerlin,GermanyinMay2011Hyundai Tucson Hybrid FCEV http:/ mpg。2012年将完成年将完成500辆试生产辆试生产奔驰奔驰F-Cell是一款氢动力双座概念跑车，车身采用玻璃纤维和碳纤维是一款氢动力双座概念跑车，车身采用玻璃纤维和碳纤维制成。这款零排放汽车由氢制成。这款零排放汽车由氢-电混合动力驱动，燃料电池位于后部。电混合动力驱动，燃料电池位于后部。氢电混合动力汽车技术挑战氢电混合动力汽车技术挑战u续驶里程短续驶里程短u动力性能较差动力性能较差u运行寿命短运行寿命短u成本高成本高HYDROGEN动力电池动力电池储氢系统储氢系统燃料电池燃料电池课题课题课题课题1 1 高密度储氢材料分子模拟、合成及其吸高密度储氢材料分子模拟、合成及其吸高密度储氢材料分子模拟、合成及其吸高密度储氢材料分子模拟、合成及其吸/放氢机理放氢机理放氢机理放氢机理课题课题课题课题2 2 低成本蓄电体系电极材料及其作用机理研究低成本蓄电体系电极材料及其作用机理研究低成本蓄电体系电极材料及其作用机理研究低成本蓄电体系电极材料及其作用机理研究 课题课题课题课题3 3 低成本电化学超级电容器技术基础研究低成本电化学超级电容器技术基础研究低成本电化学超级电容器技术基础研究低成本电化学超级电容器技术基础研究 课题课题课题课题4 4 固态电解质蓄电体系及相关材料低成本化探索研究固态电解质蓄电体系及相关材料低成本化探索研究固态电解质蓄电体系及相关材料低成本化探索研究固态电解质蓄电体系及相关材料低成本化探索研究课题课题课题课题5 5 低成本蓄电材料制备过程工程理论低成本蓄电材料制备过程工程理论低成本蓄电材料制备过程工程理论低成本蓄电材料制备过程工程理论课题课题课题课题6 6 高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究 课题课题课题课题7 7 车载储能系统管理及环境适应性基础研究车载储能系统管理及环境适应性基础研究车载储能系统管理及环境适应性基础研究车载储能系统管理及环境适应性基础研究课课题题设设置置上海交通大学、浙江大学、厦门大学、复旦大学、上海交通大学、浙江大学、厦门大学、复旦大学、清华大学、南京航空航天大学、南京工业大学清华大学、南京航空航天大学、南京工业大学中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院上海硅酸盐研究所电动汽车电动汽车用低成本、高密度蓄电用低成本、高密度蓄电(氢氢)体系基础科学问题研究体系基础科学问题研究973973973973计划：电动汽车储能技术研究计划：电动汽车储能技术研究计划：电动汽车储能技术研究计划：电动汽车储能技术研究 氢电混合燃料电池汽车动力系统技术电源技术氢电混合燃料电池汽车动力系统技术电源技术,2008,32(6):357-360 u 建立了车载储氢气瓶快充试验平台及仿真系统，建立了建立了车载储氢气瓶快充试验平台及仿真系统，建立了快速充放氢过程中氢气流速和流量的控制理论快速充放氢过程中氢气流速和流量的控制理论u 建立了车载储氢容器材料结构工艺一体化优化设计建立了车载储氢容器材料结构工艺一体化优化设计方法，运用该方法可在保证安全和技术要求的情况下优化方法，运用该方法可在保证安全和技术要求的情况下优化储氢容器结构、减少材料用量、极大程度的降低成本储氢容器结构、减少材料用量、极大程度的降低成本u 建立了车载纤维缠绕高压储氢气瓶及安全性能测试系统建立了车载纤维缠绕高压储氢气瓶及安全性能测试系统u 研制出两种可在温和条件下制备研制出两种可在温和条件下制备40-70MPa高压氢的合金、高压氢的合金、并设计制作了可提供并设计制作了可提供40-70MPa高压的供氢装置高压的供氢装置车载储氢体系安全性预测理论车载储氢体系安全性预测理论车载储氢体系安全性预测理论车载储氢体系安全性预测理论J Y Zheng,P F Liu,Computational Materials Science,2008,43(3):453-461（浙大）（浙大）Elasto-plasticstressanalysisandburststrengthevaluationofAl-carbonfiber/epoxycompositecylindricallaminatesAfter burstBefore burstu 国内率先开展快速充氢温升试验。国内率先开展快速充氢温升试验。在在高压气瓶内、外壁面分布置数十个传感器，高压气瓶内、外壁面分布置数十个传感器，能够动态采集气瓶内外壁温度能够动态采集气瓶内外壁温度u 采用先进密封装置，解决了传感器数采用先进密封装置，解决了传感器数据线高压出口密封问题。据线高压出口密封问题。采用先进测量采用先进测量技术，可实时对高速氢气流量进行测量技术，可实时对高速氢气流量进行测量车载高压储氢容器快速充装过程温升规律车载高压储氢容器快速充装过程温升规律车载高压储氢容器快速充装过程温升规律车载高压储氢容器快速充装过程温升规律气流控制阀传感器数据线“70MPa高压气态储氢系统关键技术及高压气态储氢系统关键技术及应用应用”教育部科学技术进步奖一等奖教育部科学技术进步奖一等奖。（2010年年）Xia YY,et al.Energy Environ.Sci.,2011(online)（复旦）（复旦）碳包覆纳米多孔碳包覆纳米多孔Li4Ti5O12微球电极材料的制备微球电极材料的制备 ReductionOGH film新一代电导性水凝胶薄膜：化学转化石墨烯（CCG)有序凝胶化过程Xiaowei Yang,Zi-Feng Ma,Dan Li,Angewandte Chemie International Edition,2011,50(32):7325-7328 石墨烯水凝胶薄膜制备过程石墨烯水凝胶薄膜制备过程石墨烯水凝胶薄膜制备过程石墨烯水凝胶薄膜制备过程机械强度：平均弹性模量765MPaOGH薄膜的真空抽滤干燥过程实际变化照片 OGHFreeze dried OGHDried OGH annealed Power density（kW/kg）118.018.11.27(项目指标：项目指标：2）Surface areas(m2/g)1086.8718.3595.8MBFreeze dried SSG干燥方法对于其比表面、功率密度、能量密度及电阻有很大关系粗磨粗磨 超细磨超细磨喷雾造粒喷雾造粒碳包覆纳米多孔碳包覆纳米多孔Li4Ti5O12微球微球AC/Li4Ti5O12混合电容器混合电容器球型二次粒径球型二次粒径 525 微米微米一次粒径一次粒径 200 纳米以下纳米以下粒子表面纳米碳层包覆粒子表面纳米碳层包覆固相合成技术结合碳包覆技术制备了固相合成技术结合碳包覆技术制备了高电子导电性的纳米钛酸锂材料高电子导电性的纳米钛酸锂材料技术优势：技术优势：1.颗粒大小（几十纳米到数微颗粒大小（几十纳米到数微米）形状可控。米）形状可控。2.电导率远高于商业化电导率远高于商业化LTO。20102010年年1111月通过教育部成果鉴定，达国际先进水平。月通过教育部成果鉴定，达国际先进水平。Presence of O2 and H2O V(x)=4.268-0.059pHPresence of H2O V(x)=3.039-0.059 pH Anode regionCathode region水溶液中负极容量水溶液中负极容量衰减的主要原因衰减的主要原因 Anodes are instable in presence of H2O and O2Li(inter.)+1/4O2+1/2H2O Li+OH-+1/2H2Xia YY,et al.,Nature Chemistry,15,760-765(2010)u在横店东磁建立了在横店东磁建立了150吨吨/年试验生产线，产品通过国家电池质量年试验生产线，产品通过国家电池质量(苏州）检测中苏州）检测中心评价，心评价，2010年年7月月7日通过浙江省科技厅组织的项目验收。日通过浙江省科技厅组织的项目验收。u2011年向浙江台州新能源提供年向浙江台州新能源提供LiFePO4材料生产专利许可。材料生产专利许可。反应粉碎制备反应粉碎制备反应粉碎制备反应粉碎制备LiFePOLiFePO4 4/C/C过程过程过程过程Pt or Pt alloysPd,Ag Pd,Ag alloysMetal macrocyclesMnO2/CPerovskite(ABO3)金属大环化合物金属大环化合物CoTMPP金属氧化物金属氧化物Pt,Pt Pt,Pt 合金合金Pd,Pd Pd,Pd 合金合金catalyst燃料电池电化学反应过程中，阴极缓慢的氧还原反应动力学限制了燃料燃料电池电化学反应过程中，阴极缓慢的氧还原反应动力学限制了燃料电池性能的提高。是燃料电池电催化活性的控制反应步骤电池性能的提高。是燃料电池电催化活性的控制反应步骤阴极阴极:O2+4H+4e-2H2O 非贵金属燃料电池电催化剂设计非贵金属燃料电池电催化剂设计非贵金属燃料电池电催化剂设计非贵金属燃料电池电催化剂设计CoTETA/CCoTETA/C等非贵金属等非贵金属等非贵金属等非贵金属电催化剂材料在燃料电池堆中应用电催化剂材料在燃料电池堆中应用电催化剂材料在燃料电池堆中应用电催化剂材料在燃料电池堆中应用氢气压力：氢气压力：0.15MPa,自增湿；自增湿；空气：风扇送气，降温空气：风扇送气，降温 工作温度：工作温度：3040阳极阳极Pt含量：含量：0.30.4mg/cm2(尾端堵死，间隙排气尾端堵死，间隙排气)单电池有效面积：单电池有效面积：55cm2 单电池数：单电池数：66个个p-ToluenesulfonicAcidDopedCo-PPy/CCathodeElectrocatalystXianxia Yuan,Xin Zeng,Hui-Juan Zhang,Zi-Feng Ma*,Improved Performance of PEMFC with p-Toluenesulfonic Acid-Doped Co-PPy/C as Cathode Electrocatalyst,Journal of the American Chemical Society,2010,132(6):1754-1755.汽车电子控制技术国家工程实验室汽车电子控制技术国家工程实验室（上海交通大学，（上海交通大学，2009）高压过程装备与安全教育部工程研究中心高压过程装备与安全教育部工程研究中心（浙江大学，（浙江大学，2010）研究基地与标准建设研究基地与标准建设uThe ISO Technical Committee 197（马紫峰、郑津洋）（马紫峰、郑津洋）u全国气瓶标准化技术委员会车用高压燃料气瓶分技术委员会全国气瓶标准化技术委员会车用高压燃料气瓶分技术委员会（郑津洋）（郑津洋）u全国氢能标准化技术委员会全国氢能标准化技术委员会(毛宗强、马紫峰、郑津洋等）毛宗强、马紫峰、郑津洋等）Basic Considerations for the safety of hydrogen systems氢燃料电池汽车全球技术法规（氢燃料电池汽车全球技术法规（HFCV-GTR）车用纤维缠绕高压氢气罐车用纤维缠绕高压氢气罐（20074793-Q-469，浙江大学），浙江大学）氢系统安全基本要求氢系统安全基本要求（申报稿，浙江大学）（申报稿，浙江大学）氢气、氢能与氢能系统术语氢气、氢能与氢能系统术语（GB/T24499-2009)氢气使用氢气使用安全技术安全技术规程规程 GB 4962-85 UDC 614.83.661.96 973项目研究基地建设项目研究基地建设中聚电池有限公司中聚电池有限公司研究院研究院上海德朗能动力电池有限公司上海德朗能动力电池有限公司u“中聚电池奖学金中聚电池奖学金”每年在全国高等院校及科学院系统从事电化学专每年在全国高等院校及科学院系统从事电化学专业学习和研究的本科生和研究生中遴选，业学习和研究的本科生和研究生中遴选，2011年计划选择年计划选择20-30人，每人，每人奖学金人奖学金5000元。元。u推荐或自荐材料在推荐或自荐材料在2011年年12月月16日前邮寄到中聚电池研究院（上海日前邮寄到中聚电池研究院（上海市市闵行闵行 上海上海紫竹高新技术产业开发区紫竹高新技术产业开发区 紫月路紫月路1299号号1号楼）号楼）u电子邮箱：电子邮箱：;中聚电池奖学金中聚电池奖学金结语致致 谢谢uuNational Basic Research Program of China(973National Basic Research Program of China(973 Program)Program)uuNatural Science Foundation of ChinaNatural Science Foundation of ChinauuScience&Technology Commission of ShanghaiScience&Technology Commission of ShanghaiuuUnit Technologies Research Center,Unit Technologies Research Center,20132013年年第第3030届全国化学与物理电源学术年会届全国化学与物理电源学术年会上海交通大学欢迎您上海交通大学欢迎您