《燃料電池與制氫》課件

燃料電池與制氫燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。制氫則是指從各種原料中提取氫氣，作為燃料電池的燃料。什么是燃料電池？能量轉(zhuǎn)換燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，燃料電池將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并產(chǎn)生熱量作為副產(chǎn)品。核心元件燃料電池的核心元件是電解質(zhì)和電極。電解質(zhì)允許離子在電極之間移動(dòng)，而電極提供化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的表面。燃料電池的工作原理1化學(xué)反應(yīng)燃料與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成電子和離子。2電解質(zhì)離子通過(guò)電解質(zhì)，從負(fù)極流向正極。3電流產(chǎn)生電子在外部電路中流動(dòng)，產(chǎn)生電流。燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池的種類(lèi)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)使用聚合物膜作為電解質(zhì)，工作溫度較低，效率高，但對(duì)燃料純度要求較高。固體氧化物燃料電池(SOFC)使用陶瓷材料作為電解質(zhì)，工作溫度較高，效率高，但啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)，工作溫度較高，對(duì)燃料適應(yīng)性強(qiáng)，但腐蝕性較高。磷酸燃料電池(PAFC)使用磷酸作為電解質(zhì)，工作溫度中等，壽命長(zhǎng)，但效率較低。質(zhì)子交換膜燃料電池核心組件質(zhì)子交換膜燃料電池由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)膜和雙極板等組成。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、發(fā)電和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域，并擁有極大的發(fā)展?jié)摿?。工作原理通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)生成水并釋放電能，高效環(huán)保。固體氧化物燃料電池工作原理固體氧化物燃料電池利用固體氧化物作為電解質(zhì)。在高溫下，氧離子穿過(guò)固體電解質(zhì)，與燃料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電力。高溫運(yùn)行固體氧化物燃料電池通常在600-1000攝氏度下運(yùn)行。高溫可以提高反應(yīng)速率和效率，但也帶來(lái)材料和安全方面的挑戰(zhàn)。應(yīng)用領(lǐng)域固體氧化物燃料電池在大型電力系統(tǒng)、工業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式發(fā)電等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。堿性燃料電池11.工作原理堿性燃料電池使用氫氣和氧氣作為燃料，并利用氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)。22.優(yōu)勢(shì)堿性燃料電池具有高能量轉(zhuǎn)換效率、高功率密度和較低的運(yùn)行溫度等優(yōu)點(diǎn)。33.應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用于航天器、潛艇等對(duì)體積和重量要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。44.挑戰(zhàn)堿性燃料電池對(duì)腐蝕敏感，需要使用特殊的材料和工藝來(lái)制造。直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種將甲醇直接氧化為電能的燃料電池。DMFC具有高能量密度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、燃料電池汽車(chē)等領(lǐng)域。DMFC應(yīng)用場(chǎng)景DMFC可用于各種應(yīng)用，包括筆記本電腦、手機(jī)、無(wú)人機(jī)等便攜式設(shè)備，以及燃料電池汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等交通工具。DMFC優(yōu)點(diǎn)DMFC的優(yōu)點(diǎn)包括高能量密度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸甲醇燃料、工作溫度低等。固體高分子燃料電池工作原理固體高分子燃料電池（PEMFC）使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為電能。其工作原理是氫氣在陽(yáng)極被氧化，產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)，生成水。電子通過(guò)外部電路產(chǎn)生電流。特點(diǎn)PEMFC具有高效率、低排放和啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，例如電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電源和分布式發(fā)電。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)清潔能源燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，排放物主要是水，對(duì)環(huán)境友好。高效率燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率較高，可以有效利用燃料的能量。能量?jī)?chǔ)存燃料電池可以?xún)?chǔ)存能量，提供穩(wěn)定可靠的電源。應(yīng)用廣泛燃料電池可用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，例如汽車(chē)、發(fā)電和便攜式設(shè)備。燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域11.汽車(chē)應(yīng)用燃料電池汽車(chē)具有高效率、低排放和零污染的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。22.分布式發(fā)電燃料電池可以用于分布式發(fā)電系統(tǒng)，提供清潔高效的能源供應(yīng)，滿(mǎn)足居民和商業(yè)用戶(hù)的用電需求。33.便攜式設(shè)備小型燃料電池可以為手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備提供電力，方便用戶(hù)出行和使用。44.其他應(yīng)用燃料電池還可以應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、軍事領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域，發(fā)揮重要的作用。汽車(chē)應(yīng)用環(huán)保效益燃料電池汽車(chē)排放零污染，對(duì)環(huán)境友好，減少溫室氣體排放。高效動(dòng)力燃料電池汽車(chē)具有高效率的能量轉(zhuǎn)換，提供強(qiáng)大動(dòng)力性能，并能實(shí)現(xiàn)快速加氫。多元燃料燃料電池汽車(chē)可以使用多種燃料來(lái)源，如氫氣、甲醇等，提供更廣泛的能源選擇。分布式發(fā)電住宅應(yīng)用家庭屋頂安裝太陽(yáng)能電池板，自發(fā)自用，余電可賣(mài)給電網(wǎng)。農(nóng)村應(yīng)用農(nóng)村地區(qū)使用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，解決用電難題。商業(yè)應(yīng)用商業(yè)建筑安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，降低運(yùn)營(yíng)成本。數(shù)據(jù)中心應(yīng)用數(shù)據(jù)中心使用燃料電池發(fā)電，降低能耗，減少碳排放。便攜式設(shè)備便攜式設(shè)備應(yīng)用燃料電池體積小巧，可用于為便攜式電子設(shè)備供電，例如手機(jī)、筆記本電腦和無(wú)人機(jī)。這些設(shè)備在戶(hù)外活動(dòng)、緊急情況下或供電基礎(chǔ)設(shè)施有限的地區(qū)特別有用。優(yōu)勢(shì)燃料電池便攜式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)包括重量輕、使用壽命長(zhǎng)，并且不會(huì)產(chǎn)生噪音和污染。此外，燃料電池可以直接使用氫氣或甲醇作為燃料，這比傳統(tǒng)電池更方便。電網(wǎng)調(diào)峰1調(diào)節(jié)電力供應(yīng)燃料電池可迅速響應(yīng)電力需求變化，提供額外的電力，穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行。2提高能源效率燃料電池可利用峰值電力資源，減少能源浪費(fèi)，提高能源利用效率。3降低碳排放燃料電池可替代傳統(tǒng)燃煤電廠，減少二氧化碳排放，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。氫能源概述清潔能源氫氣燃燒只生成水，沒(méi)有污染物排放，是清潔能源。高能量密度氫氣的能量密度很高，可以提供大量的能量。應(yīng)用廣泛氫能源可以應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域?？沙掷m(xù)發(fā)展氫氣可再生，可以有效減少對(duì)化石能源的依賴(lài)。制氫技術(shù)水電解制氫利用電解水的方法制取氫氣，是一種清潔高效的制氫技術(shù)。天然氣制氫以天然氣為原料，通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫氣，是一種成熟的制氫技術(shù)。煤炭氣化制氫將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣，再通過(guò)分離提純得到氫氣，是一種傳統(tǒng)的制氫技術(shù)。生物質(zhì)制氫利用生物質(zhì)資源，通過(guò)氣化或熱解等方法制取氫氣，是一種可再生能源制氫技術(shù)。水電解制氫電解水使用電能將水分子分解成氫氣和氧氣。陽(yáng)極：氧氣生成陰極：氫氣生成電解槽專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的設(shè)備，用于電解水制氫。純度電解制氫可以產(chǎn)生高純度的氫氣，適合各種應(yīng)用。可再生能源使用可再生能源，如太陽(yáng)能或風(fēng)能，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保的制氫。天然氣制氫1蒸汽甲烷重整天然氣與蒸汽反應(yīng)生成合成氣，再經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)生成氫氣。2部分氧化法天然氣與空氣或氧氣反應(yīng)生成合成氣，再經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)生成氫氣。3干法重整天然氣與二氧化碳反應(yīng)生成合成氣，再經(jīng)過(guò)變換反應(yīng)生成氫氣。煤炭氣化制氫1煤炭氣化將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣2水蒸氣轉(zhuǎn)化合成氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣3脫碳去除二氧化碳，得到高純度氫氣煤炭氣化制氫是將煤炭轉(zhuǎn)化為氫氣的主要方法之一。它通過(guò)將煤炭與水蒸氣和氧氣反應(yīng)，生成合成氣，然后通過(guò)水蒸氣轉(zhuǎn)化和脫碳等步驟得到氫氣。煤炭氣化制氫具有成本低、產(chǎn)量高的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也會(huì)排放二氧化碳，需要進(jìn)行碳捕獲和封存技術(shù)。生物質(zhì)制氫1生物質(zhì)氣化生物質(zhì)被加熱至高溫，產(chǎn)生可燃性氣體，如合成氣。合成氣包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳。2氣體分離通過(guò)各種方法分離合成氣中的氫氣，例如水汽變換反應(yīng)和低溫分離。3氫氣純化進(jìn)一步純化氫氣，以滿(mǎn)足燃料電池或其他應(yīng)用的要求。制氫的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)可再生能源氫能是一種清潔、高效的能源，有助于減少碳排放，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。應(yīng)用廣泛氫能可用于交通、發(fā)電、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型。技術(shù)挑戰(zhàn)制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)仍需進(jìn)一步發(fā)展，以降低成本，提高效率。安全問(wèn)題氫氣易燃易爆，需要加強(qiáng)安全管理和技術(shù)研發(fā)，保障安全使用。儲(chǔ)氫技術(shù)氣態(tài)儲(chǔ)氫壓縮氫氣，儲(chǔ)存在高壓容器中。成本低，技術(shù)成熟，但儲(chǔ)氫密度低，安全性需要關(guān)注。液態(tài)儲(chǔ)氫將氫氣冷卻至-253℃，以液態(tài)形式儲(chǔ)存。儲(chǔ)氫密度高，但制冷成本高，需要特殊儲(chǔ)罐和運(yùn)輸設(shè)備。固態(tài)儲(chǔ)氫將氫原子儲(chǔ)存在固體材料中，如金屬氫化物、碳納米材料等。儲(chǔ)氫密度高，安全性好，但成本高，技術(shù)尚不成熟。氣態(tài)儲(chǔ)氫壓縮儲(chǔ)氫將氫氣壓縮到高壓狀態(tài)下存儲(chǔ)，通常在200-700巴之間。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本較低。缺點(diǎn)：儲(chǔ)氫密度低，安全性要求高。液態(tài)儲(chǔ)氫將氫氣冷卻至-253℃，液化后存儲(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫密度較高，易于運(yùn)輸。缺點(diǎn)：液化成本高，需要特殊設(shè)備。金屬氫化物儲(chǔ)氫利用金屬與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氫化物。優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫密度高，安全性好。缺點(diǎn)：成本較高，充放氫速度慢。碳納米管儲(chǔ)氫利用碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)，吸附氫氣。優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫密度高，可反復(fù)使用。缺點(diǎn)：技術(shù)尚不成熟，成本較高。液態(tài)儲(chǔ)氫11.溫度低液態(tài)氫需要在-253°C的低溫下儲(chǔ)存，需要特殊容器和保溫措施。22.儲(chǔ)氫密度高液態(tài)氫的體積密度約為氣態(tài)氫的800倍，儲(chǔ)存效率更高。33.技術(shù)成熟液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)較為成熟，應(yīng)用于航天和工業(yè)領(lǐng)域。44.成本較高液態(tài)儲(chǔ)氫需要消耗大量的能量進(jìn)行制冷，成本較高。固態(tài)儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫利用金屬與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物，儲(chǔ)存氫氣。具有安全、環(huán)保和儲(chǔ)氫密度高的優(yōu)點(diǎn)。碳納米管儲(chǔ)氫利用碳納米管的納米孔隙結(jié)構(gòu)，