马紫峰上海交通大学能源研究院电化学与能源技术研究所 e-mail: zfma@sjtu

Shanghai Jiao Tong University

马紫峰马紫峰

上海交通大学能源研究院上海交通大学能源研究院

电化学与能源技术研究所电化学与能源技术研究所E-mail: [email protected]: [email protected]

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

第 29 届全国化学与物理电源学术年会， 2011 年 10 月 21-23 日，中国长沙


从 GEF/UNDP 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（ 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

储氢容器Hydrogen cylinder

超级电容器Supercapacitor

燃料电池发动机Fuel cell engine

DC-DC

Motor

冷却器Cooling

氢气加注口Hydrogen filling port


“创新一号”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

Shanghai Jiao Tong University 2008 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引导车队。另外有引导车队。另外有 33 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 196 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。90 辆燃料电池轿车6 辆燃料电池巴士100 燃料电池观光车

20102010 上海世博会燃料电池汽车上海世博会燃料电池汽车


In 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. .

By 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, 33 H H22 refueling stations refueling stations will be built, and will be built, and 71817181 NEV were produced in 2010. NEV were produced in 2010.

Combining 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

EV typesEV types BusBus CarCar ShanghaiShanghai

FCEVFCEV < ￥ 600,000 < ￥ 250,000

AEVAEV < ￥ 500,000 < ￥ 60,000 + ￥ 40,000

PHEVPHEV < ￥ 420,000 < ￥ 50,000 + ￥ 20,000

Note: Central government subsidy level: 3000RMB/kWh; Shanghai city subsidy

level 2000RMB/kWh


氢能是可再生能源和用户的最好桥梁氢可以将可再生能源的多余电力储存起来氢可以将风能的低质量电力变成优质电源氢能可以使风能免除电网份额的限制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

储电（蓄电池）

储油箱（汽柴油）

储电（蓄电池）

+ 储油 ?(HEV)

储氢 + 燃料电池

？？


未来汽车动力特点：能量多样性

Shanghai Jiao Tong University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


Application Map – Meeting Customer Needs There is no single silver bullet


实施时间： 2009.4-2013.1

Hawaii Hydrogen Power Park

Shanghai Jiao Tong University车载储能技术：新能源汽车核心

蓄电装置

储氢装置

燃料电池堆电动机

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


GM Project Driveway Vehicle Deployment Real World Experience


GMGM 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 Record

UTC Power’s latest-generation PureMotion(r) System Model 120 fuel cell powerplants for hybrid-electric transit buses has surpassed 10,000 operating 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’s latest-generation PureMotion(r) System Model 120 fuel cell powerplants for hybrid-electric transit buses has surpassed 10,000 operating 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)


Toyota Aims for $50,000 Fuel-Cell Car by 2015

May 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

http://www.wired.com/autopia/2010/05/toyota-50000-fuel-cell-vehicle/


上海牌燃料电池车——荣威 750

大容量蓄电池

在电源上慢充 6-8 小时即可充满

是一款量产可能性较大的 EV 电动车型

采用了串联式的混合动力驱动结构

搭载的上汽自主研发的超越四代燃料电池组

最大输出功率达 60 千瓦

样车速度可达每小时 150 公里

百公里加速时间从之前的 19 秒提高到 15 秒

加一次氢气可以持续行驶 300 公里


Daimler wants to mass produce fuel cell vehicles by 2012-15

So 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 time

Oct 9, 2010: Daimler is now accepting orders from customers in Los Angeles and San Francisco to lease the Mercedes B-Class F-Cell hydrogen fuel cell car. The first 5-15 cars will be delivered in mid-December 2010. The price per 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 to begin leasing hydrogen fuel cell car in California in December 2010


梅赛德斯 - 奔驰 B 级燃料电池车

2011 年 1 月 30 日，梅赛德斯 - 奔驰启动了一场前所未有的长途旅行——梅赛德斯 - 奔驰 B 级燃料电池车环球之旅。


梅赛德斯 - 奔驰 B 级燃料电池车

B 级燃料电池车的驱动系统采用了最新一代燃料电池技术，相比 2004 款梅赛德斯 - 奔驰 A 级燃料电池车的驱动系统，体积缩小约 40% ，燃料消耗降低 30% ，但输出功率却增加了 30% 。

B 级燃料电池车驱动系统的主要部件包括：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、三个 700 巴高压储氢罐、一个位于前轴的紧凑的、轻量化的驱动电机

B 级燃料电池车续航里程达到了 400公里，而每次充满燃料仅需 3分钟，通过移动加氢站补充满燃料的时间也仅为 20分钟。非常适合长途旅行以及日常使用。


The Audi Hydrogen A2H2 car was powered both directly 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 introduced in Berlin, Germany in May 2011


Hyundai Tucson Hybrid FCEV

http://www.hydrogencarsnow.com/

现代新款 Blue2概念车是一款中型燃料电池电动汽车 FCEV, 装备了一个氢动力的燃料电池堆，该燃料电池会利用天然气产生电能，然后电能会驱动一个相当传统的电驱动系统。该燃料电池的最大动力输出约为 120

马力，据现代公司表示，其燃油经济性约为82 mpg 。 2012 年将完成 500 辆试生产

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。

Shanghai Jiao Tong University氢电混合动力汽车技术挑战

续驶里程短动力性能较差运行寿命短成本高

HYDROGEN

动力电池储氢系统燃料电池


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 //放氢机理放氢机理

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

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

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

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

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

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

课题设置

课题设置

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

中国科学院上海硅酸盐研究所

电动汽车用低成本、高密度蓄电 ( 氢 ) 体系基础科学问题研究

973973 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 , 2008,32(6):357-360


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储氢容器结构、减少材料用量、极大程度的降低成本建立了车载纤维缠绕高压储氢气瓶及安全性能测试系统研制出两种可在温和条件下制备 40-70MPa 高压氢的合金、并设计制作了可提供 40-70MPa 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


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 laminates

After burst

Before burst


国内率先开展快速充氢温升试验。在高压气瓶内、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。采用先进测量技术，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

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应用” 教育部科学技术进步奖一等

奖。（ 2010 年）


Xia YY, et al. Energy Environ. Sci., 2011 (online) （复旦）

碳包覆纳米多孔 Li4Ti5O12微球电极材料的制备


Reduction OGH 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


0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Stre

ss (

MPa

)

Strain (%)

70 m 118 m 198 m

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Strain (%)

(MPa

)

70 m 118 m 198 m

机械强度：平均弹性模量 76 ± 5 MPa

OGH 薄膜的真空抽滤干燥过程实际变化照片


OGH Freeze dried OGH Dried OGH annealed

Power density （ kW/kg ） 118.0 18.1 1.27(项目指标： 2 ）

Surface areas (m2/g) 1086.8 718.3 595.8

MB

Freeze dried SSG

101 102 103 104 105

2

4

6

8 OGH film Freeze Dried OGH Dried /annealed SSG

Ene

rgy

Den

sity

(Wh/

kg)

Ave. Power Density (W/kg)

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


粗磨超细磨

喷雾造粒碳包覆纳米多孔 Li4Ti5O12微球 AC//Li4Ti5O12

混合电容器


球型二次粒径 5 － 25 微米

一次粒径 200 纳米以下

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高电子导电性的纳米钛酸锂材料

技术优势：1. 颗粒大小（几十纳米到数微米）形状可控。2. 电导率远高于商业化 LTO 。

2010 年 11 月通过教育部成果鉴定，达国际先进水平。


int 0Li Li(x) (x)

1V = (u u )

e

Presence of O2 and H2O

V(x) = 4.268-0.059pH

Presence of H2O

V(x)=3.039-0.059 pH Anode region

Cathode region

水溶液中负极容量衰减的主要原因

Anodes are instable in presence of H2O and O2

Li(inter.) + 1/4O2+1/2H2O Li+ + OH- + 1/2H2

Xia YY, et al., Nature Chemistry, 15, 760-765 (2010)


在横店东磁建立了 150 吨 / 年试验生产线，产品通过国家电池质量 ( 苏州）检测中心评价， 2010 年 7 月 7 日通过浙江省科技厅组织的项目验收。2011 年向浙江台州新能源提供 LiFePO4材料生产专利许可。

反应粉碎制备反应粉碎制备 LiFePOLiFePO44/C/C 过过程程


Pt or Pt alloys

Pd, Ag Pd, Ag alloys

Metal macrocycles

MnO2/C

Perovskite (ABO3)

金属大环化合物CoTMPP

金属氧化物

Pt, Pt 合金

Pd, Pd 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 : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 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


CoTETA/CCoTETA/C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

氢气压力： 0.15MPa, 自增湿；空气：风扇送气，降温工作温度： 30 ～ 40℃

阳极 Pt含量： 0.3 ～ 0.4mg/cm2 (尾端堵死，间隙排气 )

单电池有效面积： 55cm2 单电池数： 66 个

0 1 2 3 4 5 6 70

10

20

30

40

50

60

电流－电压

Vol

tage

(v)

Current (A)

pow

er (

w)

0

20

40

60

80

100

120

电流－功率

2010.7.29 stack performance


p-Toluenesulfonic Acid Doped Co-PPy/C Cathode Electrocatalyst

Xianxia 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（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（浙江大学， 2010 ）

研究基地与标准建设

The ISO Technical Committee 197 （马紫峰、郑津洋）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）全国氢能标准化技术委员会 (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》（ HFCV-GTR ）《车用纤维缠绕高压氢气罐》（ 20074793-Q-469 ，浙江大学）《氢系统安全基本要求》（申报稿，浙江大学）《氢气、氢能与氢能系统术语》（ GB/T24499-2009)

《氢气使用安全技术规程》 GB 4962-85 UDC 614.83.661.96

Shanghai Jiao Tong University973 项目研究基地建设

中聚电池有限公司研究院上海德朗能动力电池有限公司


“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业学习和研究的本科生和研究生中遴选， 2011 年计划选择 20-30人，每人奖学金 5000元。推荐或自荐材料在 2011 年 12 月 16 日前邮寄到中聚电池研究院（上海市闵行上海紫竹高新技术产业开发区紫月路 1299 号 1号楼）电子邮箱： [email protected]; [email protected]

中聚电池奖学金

Shanghai Jiao Tong University 结语


致谢

National Basic Research Program of China (973National Basic Research Program of China (973 Program)Program)

Natural Science Foundation of ChinaNatural Science Foundation of China

Science & Technology Commission of ShanghaiScience & Technology Commission of Shanghai

Unit Technologies Research Center, Unit Technologies Research Center,

马紫峰 上海交通大学能源研究院 电化学与能源技术研究所 e-mail: zfma@sjtu

Documents

马紫峰上海交通大学能源研究院电化学与能源技术研究所 e-mail: zfma@sjtu