《燃料電池與制氫》課件

燃料電池與制氫燃料電池的工作原理化學(xué)反應(yīng)燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，無(wú)需燃燒過(guò)程。電化學(xué)反應(yīng)燃料在電池的陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放電子，電子經(jīng)外電路流向電池的陰極，并與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成水。能量轉(zhuǎn)換燃料電池將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并以熱能的形式釋放能量。燃料電池的種類質(zhì)子交換膜燃料電池最常見(jiàn)的燃料電池類型，應(yīng)用于汽車和其他領(lǐng)域。固體氧化物燃料電池高溫運(yùn)行，適合用于發(fā)電站等大型應(yīng)用。堿式燃料電池使用堿性電解質(zhì)，具有高效率和低成本的潛力。磷酸燃料電池成熟技術(shù)，已應(yīng)用于發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)膜和雙極板組成。原理氫氣在陽(yáng)極被氧化，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，與氧氣和電子反應(yīng)生成水。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜式電源和固定式發(fā)電等領(lǐng)域。固體氧化物燃料電池工作原理固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種高溫燃料電池，利用固體氧化物作為電解質(zhì)。在高溫下，氧離子在固體氧化物電解質(zhì)中遷移，并與燃料反應(yīng)生成水和電能。特點(diǎn)SOFC具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率、對(duì)燃料適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但SOFC也面臨著高溫運(yùn)行、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等挑戰(zhàn)。堿式燃料電池堿性電解質(zhì)，常溫常壓下工作。功率密度高，啟動(dòng)速度快。對(duì)燃料純度要求低，可使用多種燃料。磷酸燃料電池成熟技術(shù)磷酸燃料電池（PAFC）技術(shù)成熟，已商業(yè)化應(yīng)用，特別是在固定式發(fā)電領(lǐng)域。工作溫度較高PAFC的工作溫度在150-200℃，對(duì)材料要求較高，但同時(shí)也有助于提高效率并抑制CO中毒。應(yīng)用廣泛PAFC在固定式發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、備用電源等方面有著廣泛的應(yīng)用。直接甲醇燃料電池高能量密度甲醇作為燃料，具有高能量密度和易于儲(chǔ)存的特性。便攜性直接甲醇燃料電池可以方便地用于便攜式電子設(shè)備。應(yīng)用廣泛在便攜式電源、小型發(fā)電系統(tǒng)和汽車領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。燃料電池的優(yōu)勢(shì)清潔能源燃料電池產(chǎn)生的電力不產(chǎn)生二氧化碳，可以減少溫室氣體排放。高效利用燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，可以有效地將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料多樣性燃料電池可以利用多種燃料，例如氫氣、甲醇、天然氣等，為不同場(chǎng)景提供靈活的應(yīng)用。燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域汽車燃料電池汽車具有零排放的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)交通發(fā)展的重要方向。電力燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可提供穩(wěn)定、可靠的電力，適用于各種規(guī)模的電力系統(tǒng)。住宅燃料電池可為住宅提供清潔、高效的電力和熱能，是未來(lái)家庭能源系統(tǒng)的重要選擇。電動(dòng)汽車與燃料電池燃料電池汽車擁有更高的續(xù)航里程和更快的加油速度。它們比電動(dòng)汽車更加環(huán)保，并且對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求更低。制氫技術(shù)概述制氫是燃料電池汽車發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是指從各種氫源中提取氫氣的過(guò)程。目前，制氫技術(shù)主要包括水電解制氫、化石燃料制氫和生物質(zhì)制氫等。水電解制氫1電解將水分子分解成氫氣和氧氣2電極陽(yáng)極釋放氧氣，陰極釋放氫氣3電流提供能量驅(qū)動(dòng)電解過(guò)程天然氣改質(zhì)制氫1蒸汽重整天然氣與蒸汽在高溫下反應(yīng)生成合成氣，再經(jīng)分離得到氫氣。2干重整天然氣與二氧化碳在高溫下反應(yīng)生成合成氣，再經(jīng)分離得到氫氣。3自熱重整利用反應(yīng)放出的熱量維持反應(yīng)溫度，提高效率，減少能耗。煤氣化制氫1高溫高壓將煤炭與水蒸氣或氧氣在高溫高壓下反應(yīng)2合成氣生成一氧化碳和氫氣混合氣體3分離提純通過(guò)水氣變換和分離工藝獲得高純度氫氣煤氣化制氫是目前最成熟的制氫技術(shù)之一，具有原料來(lái)源豐富、成本較低的優(yōu)勢(shì)。但是，煤氣化過(guò)程會(huì)排放二氧化碳，對(duì)環(huán)境造成一定影響。生物質(zhì)制氫1生物質(zhì)氣化將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣2水蒸氣轉(zhuǎn)化利用合成氣與水蒸氣反應(yīng)制氫3氫氣分離分離氫氣和其他氣體制氫技術(shù)對(duì)比分析效率成本制氫過(guò)程中的能耗分析制氫方法能耗(kWh/kgH2)電解水制氫50-60天然氣蒸汽重整制氫10-15煤氣化制氫15-20生物質(zhì)制氫20-30制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析30%成本降低制氫成本近年來(lái)大幅下降，預(yù)計(jì)未來(lái)將進(jìn)一步下降。20%政府補(bǔ)貼政府提供補(bǔ)貼，鼓勵(lì)制氫技術(shù)發(fā)展。10%市場(chǎng)需求燃料電池汽車等市場(chǎng)需求增加，帶動(dòng)制氫行業(yè)發(fā)展。40%投資回報(bào)制氫技術(shù)投資回報(bào)率較高，吸引更多資本投入。制氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善的制氫基礎(chǔ)設(shè)施是推廣氫能應(yīng)用的關(guān)鍵，包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和加氫等環(huán)節(jié)的建設(shè)。制氫建設(shè)規(guī)?；?、高效的制氫工廠，降低制氫成本。儲(chǔ)氫研發(fā)安全可靠的儲(chǔ)氫技術(shù)，提高氫氣的存儲(chǔ)效率。運(yùn)氫建立完善的氫氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，確保氫氣安全高效地輸送。加氫建設(shè)便捷的加氫站，為氫能汽車提供便捷的加氫服務(wù)。儲(chǔ)氫技術(shù)壓縮儲(chǔ)氫將氫氣壓縮至高壓狀態(tài)，儲(chǔ)存在高壓容器中。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低，缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度低、安全性問(wèn)題。液氫儲(chǔ)氫將氫氣冷卻至零下253℃，儲(chǔ)存在特制的低溫容器中。優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度高、體積小，缺點(diǎn)是制冷和儲(chǔ)運(yùn)成本高、安全性問(wèn)題。固態(tài)儲(chǔ)氫利用金屬氫化物或碳材料吸附氫氣。優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度高、安全性好，缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫速度慢、成本較高。運(yùn)氫技術(shù)管道運(yùn)輸適用于長(zhǎng)距離、大規(guī)模氫氣運(yùn)輸，成本相對(duì)較低。公路運(yùn)輸適用于中短距離、小型氫氣運(yùn)輸，靈活方便。鐵路運(yùn)輸適用于長(zhǎng)距離、大批量氫氣運(yùn)輸，安全性高。船舶運(yùn)輸適用于跨海、跨洋氫氣運(yùn)輸，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)。加氫站建設(shè)選址加氫站選址需考慮交通便利性、安全性、周邊環(huán)境等因素，以確保安全高效的加氫服務(wù)。設(shè)備加氫站設(shè)備包括制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加氫機(jī)等，需要選擇可靠的設(shè)備以確保安全性、效率和耐久性。管理加氫站需要建立完善的管理制度，包括安全操作規(guī)程、維護(hù)保養(yǎng)制度等，確保安全運(yùn)營(yíng)和高效管理。燃料電池汽車加氫模式快速加注加氫時(shí)間短，與汽油車加注時(shí)間相當(dāng)。高能量密度氫氣能量密度高，續(xù)航里程長(zhǎng)。零排放氫氣燃燒產(chǎn)物為水，不會(huì)產(chǎn)生污染。燃料電池與制氫的關(guān)系1相輔相成燃料電池需要?dú)錃庾鳛槿剂?共同發(fā)展燃料電池技術(shù)和制氫技術(shù)相互促進(jìn)3未來(lái)趨勢(shì)燃料電池與制氫將推動(dòng)能源革命燃料電池與制氫發(fā)展趨勢(shì)1技術(shù)進(jìn)步燃料電池和制氫技術(shù)不斷進(jìn)步，效率和成本不斷降低。2政策支持各國(guó)政府積極制定政策，支持燃料電池與制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。3市場(chǎng)需求對(duì)清潔能源的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)燃料電池與制氫技術(shù)應(yīng)用。4基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，為燃料電池汽車推廣提供便利。燃料電池與制氫的應(yīng)用前景交通運(yùn)輸燃料電池汽車，燃料電池船舶，燃料電池飛機(jī)等，提供低碳，高效的交通解決方案。電力供應(yīng)燃料電池發(fā)電站，為家庭，企業(yè)和社區(qū)提供清潔，可靠的電力，解決能源問(wèn)題。工業(yè)生產(chǎn)燃料電池在工業(yè)生產(chǎn)中，例如冶金，化工，提供高溫?zé)崮芎碗娔?，提升效率。燃料電池與制氫的挑戰(zhàn)與機(jī)遇基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善的加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是燃料電池汽車推廣的關(guān)鍵。儲(chǔ)