1、氫電混合動力電動汽車研究與展望課件氫電混合動力電動汽車研究與展望課件從GEF/UNDP 燃料電池公共汽車示范可行性論證(1996.10-2008.7)，到電動汽車到新能源汽車示范應用（2001-2011）前言從GEF/UNDP 燃料電池公共汽車示范可行性論證(1996燃料電池汽車動力系統設計儲氫容器Hydrogen cylinder 超級電容器Supercapacitor燃料電池發動機Fuel cell engineDC-DCMotor冷卻器Cooling 氫氣加注口Hydrogen filling port燃料電池汽車動力系統設計儲氫容器超級電容器燃料電池發動機DC“創新一號”燃料電池巴士在

2、上海交通大學建校110周年慶在閔行校園內運行“創新一號”燃料電池巴士在上海交通大學建校110周年慶在閔行2008北京奧運會燃料電池汽車2008北京奧運會期間，上海汽車集團開發了20輛帕薩特領馭燃料電池轎車組成燃料電池引導車隊。另外有3輛燃料電池巴士在運行。 2008北京奧運會燃料電池汽車2008北京奧運會期間，上海汽世博會期間，共有196輛燃料電池汽車在運行中，是所有新能源汽車中表現最穩定的。90輛燃料電池轎車6輛燃料電池巴士100燃料電池觀光車2010上海世博會燃料電池汽車世博會期間，共有196輛燃料電池汽車在運行中，是所有新能源汽In January 2011, Shanghai was

3、selected as the electric vehicle (EV) international pilot city. By 2010, over 10,000 EVs have been deployed. 13,000 charging piles, 15 charging/battery swapping stations, 3 H2 refueling stations will be built, and 7181 NEV were produced in 2010. Combining the subsidy policy for private electric vehi

4、cles (EVs) purchase in China and Shanghai EV typesBusCarShanghaiFCEV￥600,000 ￥ 250,000AEV ￥ 500,000 ￥ 60,000+￥40,000PHEV ￥ 420,000 ￥ 50,000+￥20,000Note: Central government subsidy level: 3000RMB/kWh; Shanghai city subsidy level 2000RMB/kWhIn January 2011, Shanghai was 氫能是可再生能源和用戶的最好橋梁氫可以將可再生能源的多余電力儲

5、存起來氫可以將風能的低質量電力變成優質電源氫能可以使風能免除電網份額的限制氫能可將再生能源的電變為汽車的動力8車載儲能技術演變過程100年儲電（蓄電池）儲油箱（汽柴油）儲電（蓄電池）+儲油?(HEV) 儲氫+燃料電池？氫能是可再生能源和用戶的最好橋梁氫可以將可再生能源的多余電力未來汽車動力特點：能量多樣性未來汽車動力特點：能量多樣性車載儲能密度比較Battery improvements are expected, but still 100X lower density than liquid fuel. Hydrogen has significantly higher storage d

6、ensity than batteries 車載儲能密度比較Battery improvements aWeight & Volume of Energy Storage System for 300 mile Range車載儲能系統重量與體積比較Weight & Volume of Energy StorApplication Map Meeting Customer Needs There is no single silver bullet 氫電混合動力電動汽車研究與展望課件實施時間：2009.4-2013.1Hawaii Hydrogen Power Park實施時間：2009.4-2

7、013.1Hawaii Hydro車載儲能技術：新能源汽車核心蓄電裝置儲氫裝置燃料電池堆電動機多能源控制器氫電混合燃料電池汽車動力基本結構車載儲能技術：新能源汽車核心蓄電裝置儲氫裝置燃料電池堆電動機氫電混合動力電動汽車研究與展望課件GM Project Driveway Vehicle Deployment Real World ExperienceGM Project Driveway Vehicle DeGM has developed 100 fuel cell vehicles. This fuel cell vehicles are running in NY, CA and CT

8、state in US. Fuel cell technology is ready for commercialization.GM has developed 100 fuel celUTC Power Transit Bus Fuel Cell System Sets Durability RecordUTC Powers latest-generation PureMotion(r) System Model 120 fuel cell powerplants for hybrid-electric transit buses has surpassed 10,000 operatin

9、g hours in real-world service with its original cell stacks and no cell replacements. This powerplant is aboard an Alameda-Contra Costa Transit District (AC Transit) bus operating in the Greater Oakland, Calif. area. (August 10, 2011)UTC Power Transit Bus Fuel CelToyota Aims for $50,000 Fuel-Cell Ca

10、r 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 2015/autopia/2010/05/toyota-50000-fuel-cell-vehicle/Toyota Aims for $50,000 Fuel-C上海牌燃料電池車榮威750大容量蓄電池在電源上慢充6-8小時即可充滿是一款量產可能性較大的EV電動車型采用了串聯式的混合動力

11、驅動結構搭載的上汽自主研發的超越四代燃料電池組最大輸出功率達60千瓦樣車速度可達每小時150公里百公里加速時間從之前的19秒提高到15秒加一次氫氣可以持續行駛300公里上海牌燃料電池車榮威750大容量蓄電池采用了串聯式的混合Daimler wants to mass produce fuel cell vehicles by 2012-15 So far Daimler has built over 100 fuel cell vehicles that have accumulated over 2.3 million miles of testing. Hyundai also recen

12、tly announced that they want to build fuel cell vehicles in that same timeOct 9, 2010: Daimler is now accepting orders from customers in Los Angeles and San Franciscoto lease the Mercedes B-Class F-Cell hydrogen fuel cell car. The first 5-15 cars will be delivered in mid-December 2010. Theprice per

13、month to lease the car “may be $600 to 800 including fuel.”Daimler to begin leasing hydrogen fuel cell car in California in December 2010Daimler wants to mass produce 梅賽德斯-奔馳B級燃料電池車2011年1月30日，梅賽德斯-奔馳啟動了一場前所未有的長途旅行梅賽德斯-奔馳B級燃料電池車環球之旅。梅賽德斯-奔馳B級燃料電池車2011年1月30日，梅賽德斯-梅賽德斯-奔馳B級燃料電池車B 級燃料電池車的驅動系統采用了最新一代燃料電池

14、技術，相比2004款梅賽德斯-奔馳 A 級燃料電池車的驅動系統，體積縮小約40%，燃料消耗降低 30%，但輸出功率卻增加了 30%。B 級燃料電池車驅動系統的主要部件包括：小型氫氣燃料電池反應堆、位于后備箱底部的高效能的鋰離子電池、三個700巴高壓儲氫罐、一個位于前軸的緊湊的、輕量化的驅動電機B級燃料電池車續航里程達到了400公里，而每次充滿燃料僅需3分鐘，通過移動加氫站補充滿燃料的時間也僅為20分鐘。非常適合長途旅行以及日常使用。梅賽德斯-奔馳B級燃料電池車B 級燃料電池車的驅動系統采用了The Audi Hydrogen A2H2 car was powered both directly

15、 by the PEM fuel cell as needed and the 38 kw NiMH traction battery pack, contains three Dynetek hydrogen storage tanks at a pressure of 350 bar, for a total capacity of 1.8 kg (3.96 lb.) of compressed hydrogen.The Audi Q5 HFC has a 98 kw PEM fuel cell and a 1.3 kwh lithium ion battery pack, was int

16、roduced in Berlin, Germany in May 2011The Audi Hydrogen A2H2 car waHyundai Tucson Hybrid FCEV /現代新款Blue2概念車是一款中型燃料電池電動汽車FCEV,裝備了一個氫動力的燃料電池堆，該燃料電池會利用天然氣產生電能，然后電能會驅動一個相當傳統的電驅動系統。該燃料電池的最大動力輸出約為120馬力，據現代公司表示，其燃油經濟性約為82 mpg。2012年將完成500輛試生產奔馳F-Cell是一款氫動力雙座概念跑車，車身采用玻璃纖維和碳纖維制成。這款零排放汽車由氫-電混合動力驅動，燃料電池位于后部。Hyu

17、ndai Tucson Hybrid FCEV htt氫電混合動力汽車技術挑戰續駛里程短動力性能較差運行壽命短成本高HYDROGEN動力電池儲氫系統燃料電池氫電混合動力汽車技術挑戰續駛里程短HYDROGEN動力電池儲課題1 高密度儲氫材料分子模擬、合成及其吸/放氫機理課題2 低成本蓄電體系電極材料及其作用機理研究 課題3 低成本電化學超級電容器技術基礎研究 課題4 固態電解質蓄電體系及相關材料低成本化探索研究課題5 低成本蓄電材料制備過程工程理論課題6 高密度車載儲氫新體系及其安全性預測理論研究 課題7 車載儲能系統管理及環境適應性基礎研究課題設置上海交通大學、浙江大學、廈門大學、復旦大學、清

18、華大學、南京航空航天大學、南京工業大學中國科學院上海硅酸鹽研究所電動汽車用低成本、高密度蓄電(氫)體系基礎科學問題研究973計劃：電動汽車儲能技術研究 氫電混合燃料電池汽車動力系統技術電源技術, 2008,32(6):357-360 課題1 高密度儲氫材料分子模擬、合成及其吸/放氫機理課題設 建立了車載儲氫氣瓶快充試驗平臺及仿真系統，建立了快速充放氫過程中氫氣流速和流量的控制理論 建立了車載儲氫容器材料結構工藝一體化優化設計方法，運用該方法可在保證安全和技術要求的情況下優化儲氫容器結構、減少材料用量、極大程度的降低成本 建立了車載纖維纏繞高壓儲氫氣瓶及安全性能測試系統 研制出兩種可在溫和條件下

19、制備40-70MPa高壓氫的合金、并設計制作了可提供40-70MPa高壓的供氫裝置車載儲氫體系安全性預測理論 建立了車載儲氫氣瓶快充試驗平臺及仿真系統，建立了快速充放氫J Y Zheng, P F Liu, Computational Materials Science, 2008, 43(3):453-461（浙大）Elasto-plastic stress analysis and burst strength evaluation of Al-carbon fiber/epoxy composite cylindrical laminatesAfter burstBefore burst

20、J Y Zheng, P F Liu, Computatio 國內率先開展快速充氫溫升試驗。 在高壓氣瓶內、外壁面分布置數十個傳感器，能夠動態采集氣瓶內外壁溫度 采用先進密封裝置，解決了傳感器數據線高壓出口密封問題。 采用先進測量技術，可實時對高速氫氣流量進行測量車載高壓儲氫容器快速充裝過程溫升規律 氣流控制閥 傳感器數據線“70MPa高壓氣態儲氫系統關鍵技術及應用” 教育部科學技術進步獎一等獎。（2010年） 國內率先開展快速充氫溫升試驗。 在高壓氣瓶內、外壁面分布置Xia YY, et al. Energy Environ. Sci., 2011 (online) （復旦）碳包覆納米多孔L

21、i4Ti5O12微球電極材料的制備 Xia YY, et al. Energy Environ.ReductionOGH film新一代電導性水凝膠薄膜：化學轉化石墨烯（CCG)有序凝膠化過程Xiaowei Yang, Zi-Feng Ma, Dan Li, Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(32):7325-7328 石墨烯水凝膠薄膜制備過程ReductionOGH film新一代電導性水凝膠薄膜：化機械強度：平均彈性模量 76 5 MPaOGH薄膜的真空抽濾干燥過程實際變化照片 機械強度：平均彈性模量 76 5 MPaOGH

22、薄膜的真空OGHFreeze dried OGHDried OGH annealed Power density（kW/kg）118.018.11.27(項目指標：2）Surface areas (m2/g)1086.8718.3595.8MBFreeze dried SSG干燥方法對于其比表面、功率密度、能量密度及電阻有很大關系OGHFreeze dried OGHDried OGH a粗磨 超細磨噴霧造粒 碳包覆納米多孔Li4Ti5O12微球AC/Li4Ti5O12混合電容器粗磨 超細磨噴霧造粒 碳包覆納米多孔Li4Ti5O12微球A球型二次粒徑 525 微米一次粒徑 200 納米以下粒子

23、表面納米碳層包覆固相合成技術結合碳包覆技術制備了高電子導電性的納米鈦酸鋰材料技術優勢：1. 顆粒大小（幾十納米到數微米）形狀可控。2. 電導率遠高于商業化LTO。2010年11月通過教育部成果鑒定，達國際先進水平。球型二次粒徑 525 微米一次粒徑 200 納米以下粒子表 Presence of O2 and H2O V(x) = 4.268-0.059pHPresence of H2O V(x)=3.039-0.059 pH Anode regionCathode region水溶液中負極容量衰減的主要原因 Anodes are instable in presence of H2O and

24、 O2Li(inter.) + 1/4O2+1/2H2O Li+ + OH- + 1/2H2Xia YY, et al., Nature Chemistry, 15, 760-765 (2010) Presence of O2 and H2O V(在橫店東磁建立了150噸/年試驗生產線，產品通過國家電池質量( 蘇州）檢測中心評價，2010年7月7日通過浙江省科技廳組織的項目驗收。2011年向浙江臺州新能源提供LiFePO4材料生產專利許可。反應粉碎制備LiFePO4/C過程在橫店東磁建立了150噸/年試驗生產線，產品通過國家電池質量Pt or Pt alloysPd, Ag Pd, Ag al

25、loysMetal macrocyclesMnO2/CPerovskite (ABO3)金屬大環化合物CoTMPP金屬氧化物Pt, Pt 合金Pd, Pd 合金catalyst燃料電池電化學反應過程中，陰極緩慢的氧還原反應動力學限制了燃料電池性能的提高。是燃料電池電催化活性的控制反應步驟陰極: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 非貴金屬燃料電池電催化劑設計Pt or Pt alloysPd, Ag Metal maCoTETA/C等非貴金屬電催化劑材料在燃料電池堆中應用氫氣壓力：0.15MPa, 自增濕；空氣：風扇送氣，降溫 工作溫度：3040陽極Pt含量：0.30.4mg/cm2 (尾

26、端堵死，間隙排氣)單電池有效面積：55cm2 單電池數：66個CoTETA/C等非貴金屬電催化劑材料在燃料電池堆中應用氫氣p-Toluenesulfonic Acid Doped Co-PPy/C Cathode ElectrocatalystXianxia 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 . p-Toluenesulfonic Acid Doped C汽車電子控制技術國家工程實