氢能与氢燃料电池产业链概述知识分享40页PPT

缺点
备注
化石燃料制氢
技术成熟、成本低、适合大规 模制氢
排放量高、气体杂质 多需提纯
我国现阶段氢 气主要来源
含尾气、副产 氢回收
成本低、来源广泛、提纯技术
成熟、回收过程碳排放量低、 环境友好、适合大规模制氢
我国氯碱工业、 提纯工艺相对复杂 焦炉煤气副产
氢资源丰富
化学热分解制 转化率高、原料易得、工艺简
有机物储氢 有机物储氢
（三）加氢站
• 氢燃料电池的应用和商业化离不开加氢站基础设施的建设。 • 氢气加注是通过将不同来源的氢气经过压缩机增压储存在站内的高压罐中，
再通过加气机为氢燃料电池汽车加注氢气。
气源
氢燃料电池 汽车
调压（计量）装置 加气系统
干燥系统
氢气压缩系统
储 高压区
气 系
中压区
统 低压区
99.99 ≥99.99 99.9
99.999
苏州国能圣源 碱性水电解制氢
5~500
4.4
扬州中电
碱性水电解制氢
20~1000
4.5
99.9 99.999
（二）储运氢
• 氢气是世界上已知的密度最小的气体，在 常温常压下，氢气的密度只有空气的1/14， 即在0 ℃时，一个标准大气压下，氢气的 密度为0.0899 g/L。
• 氢能产业链包括：制氢、储运、加氢、氢气应用。制氢是 基础，储运和加氢是氢气应用的核心保障。
氢能产业链构成
制氢
化石燃料制氢
含氢尾气、副产氢回收制 氢
电解水制氢
化学热分解制氢 光解水制氢 生物质制氢
储运
气体存储运输 液氢存储运输
固态存储运输 有机物存储运输
应用

.
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其他储氢方法 配位氢化物储氢 有机物储氢 玻璃微球储氢 地下储氢
物理吸附储氢
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10.4 燃料电池的基本原理
燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、 没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
.
2
氢气燃烧的特点 发热值高； 点燃快，燃点高，燃烧性能好,燃烧效率高； 是一种清洁燃料。
一次能源
太阳能 风能
生物质能 地热能 海洋能
制氢
二次能源 氢气
发电
池燃 料 电
水电 解
电力
用户
图10-1 未来能源结构体系的展望
.
3
10.2 氢的制备
通常所指的氢能，指游离的分子氢H2所具有的能量。虽 然地球上氢元素含量十分丰富，但是游离的分子氢却十分的稀 少。大气中游离的H2仅有二百万分之一。 Nhomakorabea.
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液态储存
将氢气冷却到20K左右，氢气将被液化，体积大大缩小， 然后储存在绝热的低温容器中。液态氢的体积含能量很高， 常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的体积能 量密度比高压气态贮存高好几倍，已在宇航中作为燃料获 得应用。
氢气液化装置主要包括加压器、换热器、膨胀机和节流 阀。最常用的氢液化循环是林德（Linde）循环或节流循环。
电池反应
H 2O
Q
H
2
1 2
O2
.
图10-2 电解水制氢原理
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热化学制氢
从水中制氢，也可以通过高温化学反应的方法进行。按照 反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系、卤化 物体系、含硫体系和杂化物体系四种反应体系。

氢能源的应用
煤制清洁能源
煤制天然气、煤制油是煤炭清洁利用的重要途径。 其中，煤制气的加氢气化过程以及煤制油直接液化 过程中需要通入大量的氢气。
氢在化石能源清洁利用中的应用
氢气是化石能源清洁利用的重要原料。油品质量升级和煤制 清洁能源是化石能源清 洁利用的主要途径，而加氢则是这些过程中的重要环节。
谢谢观看
除此之外，国家还应加快对燃料电池 关键原材料、零部件国产化、批量化 生产的支持
氢能源发展前景
不断整合燃料电池各方面优势，带动燃料电 池产业链的延伸。同时政府还应给予相关的 示范应用配套设施
并且支持对燃料电池相关产业链予以培育等, 以加快燃料电池车示范运营相关的法规
标准的制定和加氢站等配套设施的建设，推 动燃料电池汽车的载客示范运营。有政府的离不开能源，所 以必须寻找新的能源。随着化石 燃料耗量的日益增加，其储量日 益减少
什么是氢能源
终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富 的新的含能体能源
氢正是这样一种在常规能源危机的出 现和开发新的二次能源的同时，人们 期待的新的二次能源。氢位于元素周 期表之首，原子序数为1，常温常压 下为气态，超低温高压下为液态
在使用中存在安全隐患：点燃氢气前 必须验纯，氢气燃烧迅速，使用过程 中可能导致能源的浪费。
氢能源的应用
A P P L I C AT I O N O F H Y D R O G E N E N E R G Y
氢能源的应用
燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具 有转换效率高、零排放等特点，是最佳的氢能利用技术 氢燃料电池汽车可实现真正的零排放、零污染，是传统 燃油汽车理想的替代品，也是氢能清洁利用的主要方式 分布式发电一般是指靠近最终用户或者就在最终用户处 的集成或者单机的小型发电装置。 氢燃料电池，以其具有的能源效率高、环境友好、占地 面积小、质量轻、运行稳定可靠、寿命长等特点

金属双极板
质量轻，易成型，强度高、韧性 好和成本低
耐腐蚀较差
复合材料双极板 化学稳定性好，耐腐蚀，易成型
导电率较低，厚度较大
氢能与燃料电池产业概论
氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应，将燃料中的化学能直接转变为电能 的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点。
氢燃料电池分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池(SOFC)、 熔 融 碳 酸 盐 燃 料 电 池 （ M C F C ） 、 碱 性 燃 料 电 池 （ A F C ） 、 磷 酸 型 燃 料 电 池 （ PA F C ） 等 类别。
氢燃料电池
2023年
目录
CONTENTS
01 氢 燃 料 电 池 工 作 原 理 02 氢 燃 料 电 池 堆 03 氢 燃 料 电 池 辅 助 系 统 04 氢 燃 料 电 池 系 统 控 制 技 术
氢能与燃料电池产业概论
01 氢 燃 料 电 池 工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ作 原 理
氢能与燃料电池产业概论
氢燃料电池工作原理
氢能与燃料电池产业概论
氢燃料电池工作原理
■结构简单、噪声低。氢燃料电池的结构简单、紧凑。运动部件少，因而它工作时安静，噪声很低。 ■可靠性高。因为氢燃料电池的运动部件很少，因而也具有很高的可靠性，可作为应急电源和不间断电源 使用。 ■兼容性好、规模可调节。燃料电池具有常规电池的积木特性，既可用多台电池按串联、并联的方式向外 供电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。因此氢燃料电池的发电规模通过调整单节电池的数目，可 进行规模调节，实现微瓦至兆瓦规模的发电。
（一） 氢燃料电池工作原理 燃料电池（FC）是通过电化学反应的方式，等温地将储存在燃料与氧化剂中的化学 能直接转化为电能的发电装置。以氢气或富氢气体为燃料的燃料电池即为氢燃料电池。

• 燃料电池车辆及发电应用、氢能轨 道交通及船舶等推广
• 到2030年， 燃料电池车达到200万 辆；加氢站达1000座
2031-2050年 • 煤基低碳制氢（推广）
（远期）
• 绿色氢能供给方式多元化
• 长距离管道输送 • 安全、可靠的氢能储存及
运输体系
• 加氢站覆盖全国，燃料电池运输车 辆保有量达1000万辆；燃料电池发 电推广应用
购置成本（欧元） 使用年限
每年行驶里程（千米/年） 剩余价值
车身折旧成本（欧元/千米） 燃料消耗 燃料价格
燃料消耗成本（欧元/千米）
维护成本（欧元/千米）
70000 4
60000 50% 0.15 0.008kg/km 9EUR/kg 0.072
0.023
35000 4
60000 50% 0.07 0.13kwh/km 0.21EUR/kwh 0.027
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3.3 政策环境： 中国重视氢能产业基础设施建设，并提出相关规划
《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书2016》明确提出我国氢能产业基础设施发展路线图，预计到2050年，加氢站覆盖全国 ， 燃料电池运输车辆保有量达1000万辆；燃料电池发电得到推广应用。
• 2016-2020年 •
（近期）
•
工业副产氢气回收 煤基制氢
加拿大对于燃料发电 系统和燃料电池的设 备购买基于补贴
冰岛提出建设 “ 生态经 济” ，环境友好型燃料没 有燃料税，只有增值税。
美国加州立法机关通过了 一项价值达20亿美元的延 长纯净汽车和燃料补贴到 2023年的法案（ABB）， 推进加氢站建设。
巴西实施PaCOS4 计划： 总投资额达750万美元用 于开发将乙醇转换成碳 氢化合物固体氧化物燃 料电池阳极。

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氢的制取
电解水制氢
电何处来？
矿物燃料制氢
天然气制氢 醇类制氢 硼氢化物制氢 ·······
生物质气化制氢
垃圾、秸秆、稻草······
太阳能制氢
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电解水制氢
水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一
提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过 程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制
水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为4．5～ 5． 5kWh左右
电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳 能、水能、风能及海洋能等等
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热化学制氢
当水直接加热到很高温度时，例如3000℃以上，部 分水或水蒸气可以离解为氢和氧
利用太阳能聚焦或核反应的热能
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光化学制氢
命体等）。 在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获
得大量的单质氢只有依靠人工制取 天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有
效来源 氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1
吨氢（及8吨氧），而氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再 生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循 环，真是取之不尽，用之不竭 工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径
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氢的特点
除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中 最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍
氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且 燃点高，燃烧速度快
氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量 氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化 物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当 处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复 循环使用

40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
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、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
Hale Waihona Puke 7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。

Ford Focus FCEV ◇化学电源：电池（手机、各种小型电动工具） 体积能量密度最小,液态-252C 使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，储氢反应是可逆的并与分解温度有关(最高可达300℃)。 这一技术将完全解决汽车在氢气制造、运输和储存方面的所有相关难点。 ◇开发高比能量、高比功率的二次电池，发展电动车 最轻的一种化学元素，化合物形式存在
解决制氢的 能耗问题
原理:光→
氢气的贮存和运输问题 碳纳米管储氢材料
据PhysOrg网2005年10月24日消息，最近一家名 为Engineuity的以色列公司发明了一种能够在汽 车内产生氢气的技术系统，而且只需要使用镁和 铝等普通金属。这一技术将完全解决汽车在氢气 制造、运输和储存方面的所有相关难点。
乙醇汽车
氢能
现在生活和生产用能 ◇固定能源：电网的电（水电、火电、核电、风能发电、 太阳能发电等） ◇移动动力源：以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机 等） ◇化学电源：电池（手机、各种小型电动工具） 后石油时代大型移动动力源(如汽车动力源)的解决方案 ◇生物燃料如生物柴油、乙醇等 ◇开发高比能量、高比功率的二次电池，发展电动车 ◇以氢为能量载体，用燃料电池发电(即所谓氢能经济)
的比能量(储氢钒比能量为700Wh/kg)。 ※纳米材料储氢······
据PhysOrg网2005年10月24日消息，最近一家名为Engineuity的以色列公司发明了一种能够在汽车内产生氢气的技术系统，而且只需 要使用镁和铝等普通金属。 ◇缺点：体积大、存在安全问题。 这一技术将完全解决汽车在氢气制造、运输和储存方面的所有相关难点。 冷冻氢气至-253℃以下，形成液态氢，并储存在低温容器中。 后石油时代大型移动动力源(如汽车动力源)的解决方案 a:环境温度@20MPa压力； ◇化学电源：电池（手机、各种小型电动工具） ◇移动动力源：以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等） 体积能量密度最小,液态-252C 体积能量密度最小,液态-252C ◇生物燃料如生物柴油、乙醇等

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如何实现氢经济
从氢能制备的角度
利用碳氢燃料规模制备可望成为突破点，采用先进气化技术为核心的混合循环 多联产系统将对传统的能源产业产生革命性的影响
随着可再生能源制备技术的逐步成熟，以此为基础的氢能与化石燃料制备的氢 能具有成本竞争力
氢能分配的角度
高效的储存和输送技术将促成供能基础设施的成本不断下降，形成管网、罐车、 铁路等多重分配体系
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氢气储存
传统储氢方法
利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气 的容积小
储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热 装置来隔热
新型储氢方法
高 压 液 化 氢 气 槽 (High-pressure and liquefied hydrogen tank)
金属氢化物(Metal hydride)
所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出 10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体
氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％， 除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是 地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它 所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍
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氢的特点
氢能利用形式多
既可以通过燃烧产生热能 ➢ 发电 ➢ 做功
作为能源材料用于燃料电池 转换成固态氢用作结构材料
用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在 的内燃机稍加改装即可使用
氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各 种应用环境的不同要求
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氢能有待解决的关键问题
“含能体能源” ➢ 柴油、汽油
生产它们几乎完全依靠化石燃料 随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些

1、氢能的三大优势
1）、燃烧放出的热量多 2）、燃烧产物是水，不污染环境 3）、制备的原料是水，资源不受限制
2、氢能的产生方式
1）、以天然气、石油、和煤为原料，在高 温下与水蒸气反应制得
2）、以天然气、石油、和煤为原料，用部 分氧化法制得
3）、电解水制得 4）、生物质气化制得 5）、光解水制得
3、氢能的利用途径
燃料电池在汽车上应用
上海神力科技有限公司 120KW第三代燃料电池大巴 发动机车
上海神力科技有限公司 承担了国家863计划“燃料 电池发动机”项目
神力公司燃料电池车
神力公司燃料电池发动机 所采用的技术路线，不同于 国际知名的大公司如加拿大 巴拉德公司(Ballard Power Systems)、美国通用汽车公 司(GM)等的高压运行技术， 自主开发了常压运行的燃料 电池技术，系统更为简单， 安全性、可靠性高，且拥有 自主知识产权，已申请中国、 美国专利102项。
燃料电池电子设备应用
东芝近年来，在各种展会上都 会展出其设计研发的笔记本燃料 电池，新型燃料电池采用甲醇作 为燃料，通过化学反应产生电能， 与采用锂电池的东芝公司自己生 产的笔记本电脑相比，50CC的 甲醇可以连续使用5小时，超过 锂电池两倍以上。 燃料电池的另 一个好处是只需填充燃料，而不 必像锂电池那样再次充 电。
料电池。
直接甲醇燃料电池
日本则武公司的产品在改进后，提高了功率密度和性能，主
要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材
料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，
并
提
高了电解质膜的形状稳定性。
这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。
二、氢氧燃料电池的工作原理