氢与燃料电池 原书第2版

序

第2版前言

译者的话

第1章作为战略性二次能量载体的氢1

1.1框架条件1

1.2氢和能源产业3

1.2.1氢的性质3

1.2.2氢的生产4

1.2.3由化石能量载体和生物质制氢4

1.2.4通过热能分解水6

1.2.5通过电能（电解）分解水6

1.2.6通过阳光分解水（光催化）8

1.3氢的运输和存储8

1.3.1气态或液态氢的运输8

1.3.2通过管道进行氢分配9

1.3.3盐穴中氢的存储9

1.4氢作为化学原材料的应用和在能量转换技术中的应用10

1.4.1氨的生产11

1.4.2石化行业中的氢11

1.4.3氢和燃料电池11

1.4.4氢作为汽车燃料12

1.4.5氢作为飞机燃料13

1.4.6氢作为CCS电厂的中间产品13

1.4.7钢铁生产工业中的氢13

1.4.8氢作为甲烷和甲醇生产的原材料14

1.5氢经济：竞争对手和可能的整合14

1.5.1氢和交通运输15

1.5.2氢和核聚变：从另一个角度审视16

1.6总结和展望16

参考文献17

第2章氢在电力系统大规模储能中的作用18

2.1引言18

2.2研究主题19

2.3大规模存储技术19

2.3.1抽水蓄能电站（PSW）20

2.3.2非绝热压缩空气储能电站（CAES）20

2.3.3绝热压缩空气储能电站（AA-CAES）20

2.3.4氢存储系统20

2.3.5甲烷存储系统21

2.4模型描述21

2.5研究场景的描述22

2.5.1一般的数据基础和假设22

2.5.2敏感性分析的说明23

2.6结果24

2.6.1基本场景24

2.6.2敏感性分析25

2.6.3氢应用的季节性和电力结构27

2.7结论和总结29

参考文献30

第3章氢的应用安全性32

3.1概述32

3.2氢的危险特性32

3.2.1易燃性33

3.2.2小的分子34

3.2.3低温34

3.2.4其他35

3.3防爆35

3.3.1区域36

3.3.2一次防爆36

3.3.3二次防爆37

3.3.4结构性防爆37

3.3.5法律方面的框架条件38

3.4存储38

3.4.1压缩气体39

3.4.2低温液体39

3.4.3熔融物40

3.4.4超临界流体40

3.4.5地下存储40

3.4.6化合物41

3.4.7法律上的框架条件41

3.5运输42

3.5.1管道42

3.5.2道路42

3.5.3其他交通路线43

3.5.4法律上的框架条件43

参考文献43

第4章移动式应用44

4.1可持续的移动性44

4.2动力总成的电气化50

4.3对燃料电池汽车和燃料电池动力总成的要求53

4.3.1技术要求54

4.3.2立法要求/法规54

4.3.3车辆制造商的内部要求54

4.4燃料电池动力总成的技术实施55

4.4.1乘用车的具体特点55

4.4.2货车的具体特点56

4.4.3客车的具体特点56

4.5燃料电池驱动的主要系统59

4.5.1燃料电池堆59

4.5.2燃料电池系统61

4.5.3高压（HV）架构63

4.5.4运营管理挑战：效率和冷启动64

4.6移动式应用的氢存储系统67

4.6.1压力存储设施67

4.6.2液态氢的存储71

4.6.3氢化物71

4.6.4其他方案73

4.7移动式应用中燃料电池技术的历史74

4.7.1货车和乘用车74

4.7.2城市公交车77

4.7.3其他移动式应用81

4.8展望83

参考文献85

第5章氢和燃料电池在航空中的移动式应用88

5.1引言88

5.2氢作为主要动力88

5.3商用飞机上燃料电池的功能90

5.4燃料电池在飞机上作为“小型”应急发电装置95

5.5商用飞机在机场的电动滑行95

5.6小型飞机中的燃料电池96

5.7无人机中的燃料电池97

5.8总结100

参考文献101

第6章住宅能量供应中的燃料电池104

6.1热电联产104

6.2为什么仍然是燃料电池106

6.3基于天然气的燃料电池加热装置109

6.4住宅内燃料电池加热装置的集成113

6.5使用可再生能源的燃料电池加热装置115

6.6燃料电池加热装置的现状和展望117

参考文献117

第7章备用电源118

7.1意义和应用领域118

7.2技术状态118

7.2.1USV系统119

7.2.2应急电源系统（NEA）120

7.3采用燃料电池的备用电源121

7.3.1重要要求和合适的燃料电池类型123

7.3.2合适的燃料电池系统的设计特征124

7.4技术比较124

第8章与安全相关的应用127

8.1燃料电池和防火127

8.2减氧概述128

8.2.1材料的保护129

8.2.2人员的逗留130

8.2.3保护区130

8.3燃料电池的新应用131

8.4结论132

参考文献133

第9章便携式燃料电池134

9.1引言134

9.2技术状态134

9.2.1氢系统134

9.2.2直接甲醇燃料电池135

9.2.3带前置重整器的燃料电池系统137

9.2.4小功率的固体氧化物燃料电池137

9.3储氢设施138

9.4微型燃料电池138

参考文献139

第10章常规、低碳、绿色的氢的工业化生产和应用141

10.1引言141

10.2氢作为工业原材料142

10.2.1按行业划分的全球应用情况142

10.2.2工业应用142

10.3氢的生产143

10.3.1利用化石资源的传统生产143

10.3.2来自化石资源的低碳生产146

10.3.3可再生（绿色）氢的生产147

10.3.4氢的温室气体强度的检测系统148

10.4氢的运输和分配148

10.5工业上低碳制氢的应用149

10.5.1低碳和绿色氢的主要应用方式的比较149

10.5.2在工业中低碳制氢应用的机遇和障碍151

10.6采取行动的必要性152

参考文献153

第11章电解方法155

11.1引言155

11.2物理化学基础157

11.3碱性电解160

11.4PEM电解162

11.5高温电解163

11.6技术现状165

11.6.1碱性电解概貌165

11.6.2PEM电解概貌166

11.7当今应用示例167

11.7.1从电力到气体（Power-to-Gas）167

11.7.2加注站168

11.8展望168

参考文献169

第12章大型电解系统的发展：需求和方法172

12.1引言172

12.2为什么需要大型电解系统以及“大型”是什么意思172

12.3大型电解系统的开发必须吸收其他领域的哪些经验175

12.4为大型电解系统设计哪些安全性方案179

12.5这些大型电解系统的持续运行需要哪些服务180

12.6展望182

参考文献183

第13章在基于可再生能源的供应系统中提供氢的成本184

13.1引言184

13.2在互补的供应系统中的电力和氢185

13.3氢的生产186

13.4氢的运输和分配188

13.5将氢与可再生能源整合到能源系统中189

13.6总结193

参考文献195

第14章聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）的现状和观点197

14.1摘要197

14.2引言197

14.3聚合物电解质膜燃料电池的总体设计201

14.3.1膜电极组件（MEA）202

14.3.2聚合物电解质膜203

14.3.3催化剂205

14.3.4催化剂层208

14.3.5气体扩散层（GDL）212

14.4双极板214

14.4.1双极板的功能和特性215

14.4.2金属双极板与石墨复合双极板的比较219

14.5密封件220

14.6电堆集成222

14.7对电堆成本的考虑225

14.8与其他燃料电池技术的区别228

14.8.1碱性燃料电池（AFC）229

14.8.2磷酸燃料电池（PAFC）和高温聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）230

14.8.3熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）230

14.8.4氧化物陶瓷燃料电池（SOFC）231

参考文献231

第15章盐穴储氢236

15.1引言236

15.2盐穴储能的历史236

15.3盐穴储氢技术238

15.4氢洞穴在能源转型实施中的作用239

15.5德国盐穴中氢的存储潜力241

15.6展望242

参考文献242

第16章氢从电力到X（Power-to-X）的关键元素244

16.1引言244

16.2从电力到氢245

16.2.1电力供应246

16.2.2电解247

16.2.3储氢设施249

16.2.4PtH2装置方案250

16.3从电力到甲烷251

16.3.1高温电解253

16.3.2甲烷化253

16.3.3CO2供给254

16.4从电力到液体257

16.4.1PtL的生产257

16.4.2案例研究：喷气燃料259

16.4.3PtL作为燃料是有意义的还是无稽之谈259

16.5PtX燃料比较260

16.5.1PtX组件的技术成熟度等级260

16.5.2“从油井到油箱”（well-to-tank）的PtX生产效率261

16.5.3案例分析：乘用车“从油井到车轮”262

16.6氢的系统性观点267

16.6.1以交通运输的电力需求为例，从电力系统角度看可再生电力（EE）与PtX的集成268

16.6.2PtH2作为部门耦合的关键组件268

16.6.3案例研究：炼油厂中的氢270

16.7总结和展望271

参考文献273