氢能手册
全书内容丰富,实用性和适用性强,可供氢能产业的工程技术人员、科研人员,政府管理人员和对氢能有兴趣的各界人士参考阅读,也可供高等院校新能源、化工、冶金、材料、环境等相关专业师生参考。
《氢能手册》是在我国“碳达峰、碳中和”目标的背景下,为助力我国《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》而策划和组织编写的。 第1篇“氢能概述” 主要阐述氢能沿革、氢能对实现“双碳”目标的支撑作用、氢能技术发展情况及经济性分析、氢能管理(氢能政策与法规、氢能标准)、氢能安全等内容; 第2篇“氢的制取” 主要阐述可再生能源制氢、化石能源制氢、工业副产物制氢、其他制氢技术和氢气安全生产等内容; 第3篇“氢的储存、运输及加注” 主要阐述气态氢的储运、液氢的制备和储运、材料储氢、氢加注、氢的主要压力管路元件与氢的检测等内容; 第4篇“氢能应用” 主要阐述氢在各类燃料电池、氢内燃机、氢燃气轮机和氢冶金等方面的内容。 附录 包含氢能方面的规范和标准。 《氢能手册》是我国首部氢能方面的工具书,既全面反映氢能技术现状和发展前景,又包括前沿技术内容,还对氢能全产业链的技术进行了技术经济分析。 中国可再生能源学会氢能专业委员会 组织编写 蒋利军 主编 责编:袁海燕 书号:978-7-122-45947-3 定价:398.00元 版次: 1 出版时间: 2024-10-01 在风能、太阳能、氢能等清洁能源中,氢的燃烧产物为水,是良好的能源载体,具有零污染、高能量、来源广泛等特点。 通过可再生能源电力电解水制氢可以大规模消纳波动性的太阳能、风能等,实现清洁能源转化存储和跨地区、跨季节的调度,使得氢能的应用范围扩大,是理想的、公认的绿色低碳能源。 而且,氢不仅是能源,还是化工冶金、材料等行业的原料,氢能的能源与物质双重属性,是电能向化工、冶金、材料、装备、控制等行业领域延伸并替代化石燃料的重要纽带。因此,涉及的行业面非常宽,应用面非常广。 1出版的重要性 2024年11月8日,我国首部能源法正式问世,我国能源法制化建设迎来重要里程碑。《中华人民共和国能源法》中提到:国家积极有序推进氢能开发利用,促进氢能产业高质量发展。 自“十三五”早期,国家密集出台了30余项涉及氢能的政策、规划等,影响最广泛的政策是2022年3月发改委和能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划》,标志着氢能上升到国家战略层面。在国家不断出台氢能规划的过程中,全国掀起了氢能发展热潮,目前全国有30余省市布局了氢能发展规划。氢能以其高效清洁的优点,逐渐走向了前台并成为撬动各个行业低碳发展的驱动力。 为更好地服务全行业,在出版社前期已经组织的“氢能利用关键技术系列”的基础上,化学工业出版社同可再生能源学会氢能专委会组织了一部《氢能手册》,期待为氢能的发展提供一定助力。 2组织的严谨性 本手册在前期组织过程中,通过召开会前会、编委会工作会议5次,分篇工作会议和审稿会议7次。会议纪要-主要内容-主编分配-编写要求-时间节点等安排,保障编写工作有序顺畅进行。 编写人员100多位,分别来自我国著名的氢能(制取、储存、输运、加注、应用)制储运加用的研究单位和应用单位。 参编单位60余家。 高校:清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通大学、西安交通大学、同济大学、武汉大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、中国矿业大学、中国地质大学(武汉)、合肥工业大学、河南农业大学、浙大城市学院等; 研究院所:中科院大连化物所、中科院上海高等研究院、中科院理化所、中科院宁波所、中国海洋工程研究院(青岛)、中国特种设备检测研究院、军科院新能源技术研究所、佛山环境与能源研究院、全国气瓶标准化技术委员会等; 企业:中国有研、国家能源集团、中国华能、国家电投、中国石化、中国石油、中国船舶、国机集团、中国质量认证中心、中国钢研、中材科技(苏州)、北京亿华通、潮州三环、苏州青骐骥、天津大陆制氢、苏州竞立制氢、山东赛克赛斯、四川亚联、北京伯肯节能、北京海德利森、沈阳欧施盾新材料、北京中科富海、张家港中集圣达因、航天晨光股份、北京燃气绿源达、北京华创慧氢、中天华氢、陕西易度智能、山东东岳、新研氢能源、上海攀业、北京七星华创、北京华丞、佛燃能源、浙江嘉菲立等。 本手册由氢能行业陈军院士、郑津洋院士作序推荐。
内容简介
《氢能手册》是在我国“碳达峰、碳中和”目标的背景下,为助力我国《氢能产业发展中长期规划(2021- 2035 年)》而策划和组织编写的。
《氢能手册》由我国最早成立的氢能全国组织——中国可再生能源学会氢能专业委员会组织编写。在阐述氢能基础内容、氢能管理、氢安全技术的基础上,全景式描述了氢的制取,氢的储存、运输及加注,氢能应用等,共分四篇34 章,全面描述了氢能各领域的关键材料、工艺、装备、系统和技术现状,重点介绍了目前已成熟应用或接近成熟的氢能技术,简要介绍了一些尚处于研究开发中的前沿技术。附录汇集了氢能相关政策和标准。 《氢能手册》是我国首部氢能方面的工具书,既全面反映氢能技术现状和发展前景,又包括前沿技术内容,还对氢能全产业链的技术进行了技术经济分析。全书内容丰富,实用性和适用性强,可供氢能产业的工程技术人员、科研人员,政府管理人员和对氢能有兴趣的各界人士参考阅读,也可供高等院校新能源、化工、冶金、材料、环境等相关专业师生参考。
编辑推荐 1.作者影响广泛——由我国1985年成立的全国氢能学术组织——中国可再生能源学会氢能专业委员会组织编写,专委会行业影响广泛。 2.内容全面——涵盖了氢能领域的基本技术,包括已成熟应用的技术,有工业化前景的技术,以及相关技术展望。具体包括:氢能概述,氢的制取,氢的储存、运输及加注,氢能应用,附录列表显示氢能相关政策、标准。 3.稀缺著作——《氢能手册》为我国首部氢能手册,切合国家能源转型政策,为我国实现《氢能产业中长期发展规划(2020-2035)》政策实施提供支撑。 4.应用广泛——《氢能手册》因氢能技术涉及广泛,是多学科交叉的工程科学技术,本书涉及领域包括化工、材料、能源、冶金、技术经济等专业,读者群体广泛。
图书前言 2023年夏天北京时而持续高温,酷暑难耐,时而大雨瓢泼,内涝成灾;东南沿海台风频发,周边国家地震不断,人类生存正面临着气候变化的极大挑战。俄乌冲突引发的全球能源供应紧张和起伏,给世界各国进一步敲响了能源安全的警钟。降低碳排放,控制气候变暖,摆脱地缘政治影响,保障能源安全,已成为世界各国加快能源转型的重要驱动力。 氢能是实现能源转型不可或缺的二次能源。氢能在构建以新能源为主体的现代能源体系中堪当大任,因为氢能作为优异的长周期大规模储能介质,可以大幅提高电网和分布式供能的稳定性,提高风光(风能、太阳能)利用率,促进可再生能源、资源的深度开发;氢能作为清洁燃料,可以部分弥补我国油气资源的不足,降低对进口油气的依赖,保证我国的能源安全;利用氢能的能质两用特性,可以大幅降低高排放工业行业的碳排放,再造工业新流程。 近几年在“双碳”目标的驱动下,我国氢能迎来了前所未有的发展新机遇。2022年我国发布了氢能产业规划,配套政策呼之欲出;2023年4月氢能产业发展部际协调机制工作会议又进一步提出了“拓展多元应用场景,逐步推动商业化发展”的要求;表明我国氢能产业已进入一个新阶段,以绿氢为源头,以降碳为主要目标,实现氢能在工业、交通、发电等行业多元化、商业化应用的新局面正在形成。 但是我们应该清醒地认识到,当前氢能产业尚处于发展初期,仍面临着产业创新能力偏弱、技术装备水平偏低、标准体系尚需完善、支撑产业发展的基础性制度滞后等诸多挑战,氢能产业健康有序发展之路依然漫长。还需要我们共同努力,破解氢能发展难题,实现氢能制备、储运和应用等关键环节的科技进步,以助力氢能产业的高质量发展。 氢能产业链包括制-储-输-用等环节,产业链长,涉及的学科多,应用范围广。当前的氢能读物多像珍珠一般散落于各处,缺乏一部系统完整的、兼具通识性和实用性的氢能读物。为便于社会各界人士集中、快速、全景式地获取氢能的产业政策、标准法规、安全规范、制-储-输-用关键技术和经济性分析等相关知识,促进氢能在全社会的普及推广,加快氢能产业的发展,中国可再生能源学会氢能专业委员会与化学工业出版社合作,以高等院校、科研院所的科研人员和身处产业一线的工程技术人员为骨干,组织百余位专家,历时1年多,编写了这部《氢能手册》。 手册面向从事氢能工作的政府官员、投资者、企业家、工程技术人员和关心氢能发展的各阶层人士,全面描述了氢能各领域的关键材料、装备、系统和技术现状,重点介绍了目前已成熟应用或接近成熟的氢能技术,简要介绍了一些尚处于研究开发中的前沿技术。为增加手册的可读性、实用性和时效性,编写过程中,特别重视将通识性的氢能知识与最新的科研成果和工程技术实践经验紧密结合,以及时反映氢能技术的进步和氢能产业的发展。
手册共分氢能概述、氢的制取、氢的储存运输及加注、氢能应用等4篇。
第一篇“氢能概述”,共5章,主要介绍了氢能沿革、氢能对实现“双碳”目标的支撑作用、氢能技术发展情况及经济性分析、氢能管理(氢能政策与法规、氢能标准)、氢能安全等内容,主编为赵吉诗研究员、王昌建教授和王刚正高工。
第二篇“氢的制取”,共9章,主要介绍了可再生能源制氢、化石能源制氢、工业副产氢、其他制氢技术和氢气安全生产等内容,主编为闫巍博士。
第三篇“氢的储存、运输及加注”,共6章,主要介绍了气态氢的储运、液氢的制备和储运、材料储氢、氢加注、氢的主要压力管路元件与氢的检测等内容,主编为徐焕恩研究员。
第四篇“氢能应用”,共14章,主要介绍了氢在各类燃料电池、内燃机、燃气轮机和氢冶金等方面的应用,主编为齐志刚博士和相艳教授。
附录中包括了氢能方面的规范和标准,主要由赵吉诗、王刚、高继轩、张璇编写
。 手册最终由蒋利军正高工统稿。 手册在编写过程中得到了化学工业出版社的大力支持,特别是袁海燕编辑在编写各阶段都给予了编写组及时、认真细致的帮助和指导,氢能专业委员会秘书处的郝雷秘书长、王树茂正高工和王骊骊女士在手册编写的组织联络过程中发挥了重要作用。本手册是氢能专业委员会组织的百余位专家集体智慧的结晶,希望这一手册的出版,能为氢能知识的普及推广和氢能产业的健康发展贡献绵薄之力。 在编写过程中,我们力求叙述准确,理论和实践相结合,但由于水平有限,难免有不妥之处,恳请读者批评指正。
蒋利军 2023年11月10日
目录 第一篇氢能概述001 引言 003
第1章氢能沿革 004 1.1氢的发现与用途 004 1.1.1氢元素的发现 004 1.1.2氢的来源及应用 004 1.2氢的物理化学性质 006 1.2.1物理性质 006 1.2.2化学性质 007 1.3氢能的概念与分类 007 1.3.1氢能的概念 007 1.3.2氢能的分类 008 1.4氢能产业发展历程 008 参考文献 011
第2章氢能对实现“双碳”目标的支撑作用 012 2.1交通领域 012 2.2工业领域 013 2.3建筑领域 014 2.4电力领域 015 参考文献 018
第3章氢能技术发展情况及经济性分析 019 3.1氢能技术发展现状及前景 019 3.1.1氢能制备技术 019 3.1.2氢能储运技术 022 3.1.3氢能加注技术 029 3.1.4氢能应用技术 032 3.2氢能技术经济性分析 035 3.2.1氢能制备经济性分析 035 3.2.2氢能储运经济性分析 046 3.2.3氢能加注经济性分析 052 3.2.4氢能应用经济性分析 057 参考文献 060
第4章氢能管理 061 4.1氢能政策与法规 061 4.1.1国家层面的政策 061 4.1.2地方政策 072 4.1.3氢能法规 085 4.2氢能标准 086 4.2.1国际氢能技术标准 086 4.2.2我国氢能标准化政策及组织 087 4.2.3我国氢能标准现状及分析 090 4.2.4总结及建议 096 参考文献 097
第5章氢能安全 098 5.1氢安全研究现状 098 5.1.1氢制备安全 099 5.1.2氢储存安全 102 5.1.3氢运输安全 102 5.1.4氢使用安全 103 5.2氢风险评估 105 5.2.1定性风险评估方法 105 5.2.2定量风险评估方法 108 5.3氢安全应急预警 117 5.3.1氢气安全监测与预警原理 117 5.3.2氢气安全监测与预警场景 117 5.4氢应急装备与系统 121 5.4.1通风系统 121 5.4.2自动喷水灭火系统 121 5.4.3喷雾系统 122 5.4.4消防给水系统 123 5.4.5干粉灭火系统 123 5.4.6CO2 灭火系统 124 5.4.7惰性气体系统 124 5.5典型氢安全事故概述 125 5.5.1美国加州埃默里维尔加氢站事故 125 5.5.2福岛核电站氢气爆炸事故 127 5.5.3加州圣克拉拉市氢气爆炸和火灾事故 129 5.5.4挪威加氢站爆炸事故 130 5.5.5韩国储氢罐爆炸 131 5.5.6沈阳氢气喷射火事故 132 参考文献 133
第二篇氢的制取135 引言 137
第6章可再生能源制氢 138 6.1碱性电解水制氢 138 6.1.1基本原理 138 6.1.2制氢装置 140 6.1.3控制系统及仪表 149 6.1.4电解能耗及气体纯度的影响因素 155 6.1.5市场应用 165 6.2质子交换膜电解水制氢 167 6.2.1PEM 电解水概述 167 6.2.2PEM 电解水关键材料 168 6.2.3PEM 电解水部件与电堆 189 6.2.4PEM 电解水系统 199 6.2.5PEM 电解水装备与应用 200 6.3固体氧化物电解水制氢 201 6.3.1固体氧化物电解池概述 201 6.3.2固体氧化物电解水制氢基本原理 203 6.3.3固体氧化物电解池关键材料 207 6.3.4固体氧化物电解池的性能衰减 214 6.3.5固体氧化物电解堆及系统 219 6.3.6经济竞争力分析 227 6.3.7技术展望及挑战 228 6.4阴离子交换膜电解水制氢 229 6.4.1基本原理 229 6.4.2AEM 电解水关键材料 231 6.4.3AEM 电解水系统部件与电解槽 240 6.4.4AEM 制氢系统 243 6.4.5设备的商业化进展和应用进展 247 参考文献 248
第7章其他电解水制氢 261 7.1电解海水制氢 261 7.1.1电解海水制氢概述 261 7.1.2电解海水析氢催化剂 262 7.1.3电解海水析氧催化剂 265 7.1.4海水制氢示范应用 273 7.2电解废水制氢 275 7.2.1尿素电解氧化反应和产氢原理 275 7.2.2尿素废水UOR 和HER催化剂概述 275 7.3电解煤浆液制氢 280 7.3.1电解煤浆液制氢机理 280 7.3.2电解煤浆液制氢的高活性电极 282 7.3.3电解煤浆液制氢的影响因素 283 7.3.4电解煤浆液制氢工艺 284 参考文献 285
第8章光解水制氢 294 8.1概述及基本概念 294 8.2反应类型和基本原理、过程及反应热动力学 294 8.2.1反应类型 294 8.2.2基本原理、过程 295 8.2.3反应热动力学 296 8.3性能影响因素及效率评价 296 8.3.1性能影响因素 296 8.3.2效率评价 299 8.4催化剂的分类及改性 299 8.4.1催化剂的分类 299 8.4.2催化剂的改性 303 8.5反应器及示范系统 306 8.5.1反应器 306 8.5.2示范系统 307 参考文献 309
第9章生物质制氢 312 9.1基本原理 312 9.1.1暗发酵生物制氢基本原理 312 9.1.2光发酵生物制氢基本原理 314 9.1.3暗光联合生物制氢基本原理 314 9.1.4生物质热裂解制氢基本原理 317 9.1.5生物质气化制氢基本原理 318 9.1.6生物质超临界气化制氢基本原理 319 9.2关键技术及理论 319 9.2.1原料预处理关键技术 319 9.2.2生物发酵制氢关键技术 321 9.2.3生物质热化学制氢关键技术 323 9.3过程强化措施 324 9.3.1外源添加物调控 324 9.3.2光热质传输调控 328 9.4装备与示范 329 9.4.1常见的生物质制氢装置 329 9.4.2生物质制氢系统示范 335 参考文献 340
第10章热化学循环分解水制氢 344 10.1热化学循环原理及评价 344 10.1.1热化学循环原理 344 10.1.2热化学循环制氢效率 345 10.1.3热化学循环过程评价与筛选 346 10.2热化学循环体系 347 10.2.1氧化物体系 347 10.2.2含硫体系 347 10.2.3卤化物体系 348 10.3典型混合循环体系 349 10.3.1混合硫循环 349 10.3.2Cu-Cl 循环 350 10.4碘硫循环 351 10.4.1碘硫循环的效率分析 351 10.4.2碘硫循环过程模拟与流程分析 352 10.4.3循环过程的材料研究与选择 354 10.4.4碘硫循环实验室规模集成系统 355 10.5热化学循环制氢技术与高温核能系统的耦合 358 参考文献 358
第11章氨分解制氢 360 11.1多相催化法氨分解制氢 360 11.1.1多相催化法氨分解制氢原理 360 11.1.2多相催化法氨分解制氢催化剂 362 11.1.3氨分解制氢工艺 363 11.1.4氨分解制氢主要装置 364 11.2电催化氨分解制氢 364 11.2.1电催化分解含氨溶液 364 11.2.2电催化分解液氨 365 11.2.3电催化分解氨催化剂 366 11.3低温等离子体法氨分解制氢 367 11.4氨分解制氢应用 367 参考文献 368
第12章化石能源制氢 370 12.1煤气化制氢 370 12.1.1基本原理 370 12.1.2煤气化制氢技术 371 12.1.3煤气化制氢的工艺流程 377 12.1.4煤气化制氢的主要设备 383 12.2甲醇制氢 389 12.2.1甲醇制氢技术基本原理 389 12.2.2甲醇制氢催化剂 390 12.2.3甲醇制氢的工艺流程 391 12.2.4甲醇制氢关键设备 393 12.3天然气制氢 396 12.3.1基本原理 398 12.3.2天然气制氢工艺选择 399 12.3.3天然气制氢原料净化技术 402 12.3.4天然气制氢典型案例 404 参考文献 406
第13章工业副产氢 408 13.1氯碱行业副产物制氢 408 13.1.1概述 408 13.1.2基本原理 409 13.1.3关键技术及工艺流程 411 13.2焦炉煤气制氢 417 13.2.1概述 417 13.2.2基本原理 417 13.2.3焦炉煤气制氢的工艺流程 419 13.2.4焦炉煤气制氢的主要设备 419 13.2.5应用实例 420 参考文献 421
第14章氢气生产安全 422 14.1氢的危险来源 422 14.1.1氢的固有危险特性 422 14.1.2氢生产系统的结构设计和材料匹配 425 14.2电解水制氢安全 426 14.2.1制氢系统危险和有害因素 426 14.2.2安全设计 427 14.2.3操作要求 428 14.3化石能源制氢安全 429 14.3.1物料危险特性 429 14.3.2不安全因素及防范措施 430 14.4氢气提纯安全 431 14.4.1原料气的危险特性 432 14.4.2安全规范 433 参考文献 434
第三篇氢的储存、运输及加注435 引言 437
第15章概述 438 15.1氢的储存 441 15.1.1氢的储存形式 441 15.1.2各类储存主要特点 444 15.2氢的运输 445 15.2.1氢的运输形式 445 15.2.2各类运输形式主要特点 447 15.3氢的加注 447 15.3.1氢的加注形式 448 15.3.2各类加注主要特点 449 15.4未来挑战与机遇 449 15.4.1氢的储存、运输及加注当前面临的问题 449 15.4.2未来主要发展方向与机遇 450 参考文献 451
第16章气态氢的储运 452 16.1固定式储氢 452 16.1.1概述 452 16.1.2临氢材料 454 16.1.3储氢设备 457 16.1.4储氢系统 462 16.2交通运载工具的氢储存 463 16.2.1交通运载工具的氢储存——气瓶 463 16.2.2交通运载工具的氢储存——供应 484 16.3氢的地面运输 495 16.3.1概述 495 16.3.2钢制高压瓶式容器 498 16.3.3大容积纤维缠绕高压气瓶 502 16.3.4型式试验 503 16.3.5管束式集装箱 504 16.4管道运输 518 16.4.1概述 518 16.4.2纯氢管道运输 518 16.4.3掺氢天然气管道运输 528 16.4.4小结与展望 540 参考文献 540
第17章液态氢的制备与储运 542 17.1氢气液化 542 17.1.1氢气液化概述 542 17.1.2氢气液化工艺流程 544 17.1.3氢气液化装置 546 17.1.4液氢工厂 555 17.2液氢储存 559 17.2.1地面液氢储存 559 17.2.2车载液氢储存气瓶 562 17.3液氢运输 564 17.3.1液氢罐车运输 564 17.3.2液氢罐式集装箱运输 570 17.4液氢安全 572 17.4.1液氢安全风险及失效机制 572 17.4.2液氢生产、储运过程中的安全技术规范 573 17.4.3液氢储运过程中的安全技术规范 575 参考文献 577
第18章材料储氢 579 18.1概述 579 18.2固态储氢技术 579 18.2.1固态储氢材料 579 18.2.2固态储氢装置 588 18.3有机液体储氢技术 597 18.3.1有机液体储氢材料 597 18.3.2有机液体储氢装置 599 18.3.3加注装置 601 18.3.4有机液体储氢技术应用 601 18.3.5有机液体储氢标准 602 参考文献 603
第19章氢加注 607 19.1气态加氢站 607 19.1.1加氢站概述 607 19.1.2加氢站的分类 608 19.1.3加氢工艺及设施 608 19.1.4加氢站建设 615 19.1.5加氢站运营管理 622 19.1.6加氢站发展 624 19.2液氢加氢站 625 19.2.1液氢储氢型加氢站概述 625 19.2.2液氢储氢型加氢站技术路线 625 19.2.3液氢储氢型加氢站关键设备 626 19.2.4站控系统 627 19.3气态压缩机 627 19.3.1概述 627 19.3.2隔膜式压缩机 628 19.3.3气(液)驱动式压缩机 634 19.3.4离子液压缩机 648 19.3.5气态压缩机发展应用 649 19.4气态加氢机 649 19.4.1概述 649 19.4.2应用场景 650 19.4.3加氢机配置 650 19.4.4核心零部件介绍 651 19.4.5加注标准及通用要求 653 19.4.6加注过程安全要求 655 19.5气态加氢站控制系统 656 19.5.1站控系统的组成 656 19.5.2站控各功能控制 656 19.5.3监控数据要求 660 19.5.4气态加氢站站控安全要求 660 参考文献 664
第20章氢的主要压力管路元件 与氢的检测 665 20.1氢气管道元件概述 665 20.1.1管道组成件 665 20.1.2管道支承件 665 20.1.3管道安全附件 665 20.2氢气管道元件用材料 666 20.2.1材料的氢脆性及测试评价 666 20.2.2氢气压力管道部件用材料 667 20.2.3氢气阀门与法兰用材料 667 20.3氢气管道阀门 668 20.3.1氢气管道阀门及分类 668 20.3.2典型氢气阀门 670 20.3.3氢气管道阀门性能测试 676 20.4氢气管道连接件 678 20.4.1氢气管道连接方式 678 20.4.2氢气管道焊接 679 20.4.3氢气管道连接件 680 20.5氢气压力管道元件选型规则 681 20.5.1氢气管件选择 681 20.5.2氢气阀门与安全保护装置选择 682 20.6氢气管道参数测量 683 20.6.1气体压力测量 683 20.6.2气体温度测量 684 20.6.3氢气流量测量 685 20.7氢气管路失效与泄漏检测 686 20.7.1管道失效常见原因 686 20.7.2氢气检测一般方法 687 20.7.3氢气泄漏的浓度传感器 687 20.7.4氢泄漏浓度传感器的选用案例 690 20.7.5手持氢泄漏探测设备 690 参考文献 691
第四篇氢能应用693 引言 695
第21章燃料电池概述 696 21.1什么是燃料电池 696 21.2燃料电池分类 697 21.2.1质子交换膜燃料电池 698 21.2.2固体氧化物燃料电池 701 21.2.3碱性燃料电池 704 21.2.4磷酸燃料电池 705 21.2.5熔融碳酸盐燃料电池 705 21.3应用领域 706 21.3.1航天领域 706 21.3.2潜艇方向 706 21.3.3新能源汽车 707 21.3.4分布式发电站 707 21.3.5备用电源与家庭电源 708 参考文献 709
第22章热力学与动力学 710 22.1热力学 710 22.1.1生成焓与生成吉布斯自由能 710 22.1.2热力学电效率 711 22.1.3理论电压 711 22.1.4电效率和热效率 713 22.1.5能斯特方程 713 22.2动力学 714 22.2.1活化过电位 714 22.2.2开路电压 715 22.2.3欧姆过电位 716 22.2.4浓差过电位 717 22.2.5实际电压 718 22.3影响性能因素 719 22.3.1电堆及其材料与部件 719 22.3.2核心辅助部件 725 22.3.3运行条件 727 22.4寿命 729 22.4.1燃料电池系统 729 22.4.2运行条件和控制策略 730 参考文献 730
第23章测试方法 732 23.1材料与部件 732 23.1.1催化剂测试方法 732 23.1.2质子交换膜测试方法 735 23.1.3微孔层测试方法 737 23.1.4双极板测试 738 23.1.5膜电极测试 739 23.2电堆与系统 742 23.2.1燃料电池电堆测试方案 742 23.2.2燃料电池系统测试方案 743 23.3测试设备 745 23.3.1单电池测试设备 745 23.3.2电堆测试设备 746 23.3.3系统测试设备 752 参考文献 754
第24章质子交换膜燃料电池 755 24.1材料与部件 755 24.1.1单电池 755 24.1.2电堆 757 24.1.3燃料电池系统 757 24.2性能与寿命 759 24.2.1燃料电池性能指标 760 24.2.2燃料电池耐久性 763 24.3瓶颈与突破 764 24.3.1膜电极技术 764 24.3.2电堆技术 767 24.3.3系统关键部件 769 24.4燃料电池汽车示范与产业化 770 24.4.1城市示范群 771 24.4.2产业化 773 24.5空冷型PEMFC 775 24.5.1空冷型PEMFC 电堆 775 24.5.2空冷型自增湿PEMFC系统 775 24.5.3技术难点与解决方法 776 24.5.4运行条件对空冷型自增湿PEMFC 性能影响 776 24.5.5空冷型自增湿PEMFC应用 778 参考文献 780
第25章固体氧化物燃料电池 783 25.1简介 783 25.2材料与部件 783 25.2.1电解质材料 783 25.2.2阳极材料 784 25.2.3阴极材料 785 25.2.4密封材料 786 25.2.5连接板材料 786 25.3单电池技术 787 25.3.1平板式单电池 787 25.3.2管式单电池 788 25.4电堆工程与评价 789 25.4.1电堆封装 789 25.4.2电堆性能与寿命测试方法 789 25.4.3影响电堆寿命的因素分析 790 25.5系统集成与示范 791 25.5.1流程与效率优化 792 25.5.2系统BOP 开发 792 25.5.3示范场景与经济效益分析 792 参考文献 793
第26章磷酸燃料电池 795 26.1无机膜型磷酸燃料电池 796 26.1.1无机膜型磷酸燃料电池的结构与基本单元 797 26.1.2磷酸燃料电池理论计算研究和经典力场 800 26.2聚合物膜型磷酸燃料电池 801 26.2.1高温聚合物电解质膜 801 26.2.2HT-PEM 质子导体 809 26.2.3理论研究和经典力场 812 26.2.4膜电极 815 26.2.5电堆 819 26.2.6发电系统 821 26.3PAFC 燃料的选择 824 26.4PAFC 的应用场景 827 26.4.1热电联供 827 26.4.2交通运输: 车、船、飞机 828 26.4.3军事装备 829 参考文献 830
第27章碱性膜燃料电池 836 27.1碱性聚合物电解质 836 27.1.1APE 的离子传导性质 836 27.1.2APE 的化学稳定性 837 27.1.3Ionomer 研究 846 27.2碱性氢电极 846 27.2.1碱性HOR 反应机理研究进展 847 27.2.2碱性HOR 反应催化剂研究进展 851 27.3非贵金属氧电极催化剂 855 27.3.1单金属氧化物 855 27.3.2复合金属氧化物 856 27.3.3碳化物/氮化物/磷化物/硫化物等 859 27.3.4氮杂碳类催化剂 859 27.4碱性膜燃料电池 862 27.4.1AEMFC 和MEA 862 27.4.2贵金属催化剂AEMFC 863 27.4.3非贵金属催化剂AEMFC 864 27.4.4AEMFC 水管理 865 27.4.5AEMFC 稳定性 867 27.4.6AEMFC 碳酸化 870 参考文献 873
第28章直接甲醇燃料电池 880 28.1甲醇电氧化催化剂 880 28.1.1铂基合金上的甲醇氧化反应 880 28.1.2基于一维纳米枝状结构的高效MOR 催化剂 882 28.2甲醇渗透及阻醇电解质膜 885 28.3单电池技术 888 28.3.1DMFC 电极结构和膜电极设计 888 28.3.2DMFC 耐腐蚀双极板 891 28.4系统集成与示范 893 参考文献 894
第29章熔融碳酸盐燃料电池 902 29.1MCFC 材料与部件 902 29.1.1MCFC 的工作原理 902 29.1.2MCFC 的元件材料和制备工艺 903 29.2MCFC 电堆的组装及测试 910 29.2.1MCFC 电堆结构 910 29.2.2MCFC 电堆的燃料供应与处理 911 29.2.3MCFC 电堆性能测试 913 29.3MCFC 发电系统的性能与寿命 917 29.3.1MCFC 发电系统构成 917 29.3.2MCFC 发电系统性能 919 29.3.3MCFC 性能和寿命影响因素 921 29.4MCFC发电系统集成与示范 926 29.4.1Santa Clara MCFC 示范项目 927 29.4.2日本川越1MW 熔融碳酸盐燃料电池试验电站 929 29.4.3MCFC 的商业化 932 29.4.4MCFC 制氢与CO2捕集 935 参考文献 937
第30章应用案例 938 30.1运载装备 938 30.1.1航天飞船 938 30.1.2水面舰船 939 30.1.3常规潜艇 941 30.1.4水下航行器 943 30.2便携装备 944 30.3机动化电站 945 30.4固定式电站 947 参考文献 950
第31章氢内燃机 951 31.1氢气与化石燃料物理化学属性 951 31.2氢气供应与混合 953 31.2.1进气道喷射和缸内直喷 953 31.2.2氢气射流及混合气形成 955 31.3氢内燃机燃烧与排放 956 31.3.1氢气缸内燃烧特性 956 31.3.2氢内燃机异常燃烧特性 958 31.3.3氢内燃机排放特性 959 31.4氢内燃机车辆 961 31.4.1氢内燃机设计与开发 961 31.4.2氢内燃机车辆开发 962 参考文献 965
第32章氢燃气轮机 966 32.1氢燃气轮机概述 966 32.1.1燃气轮机概念、类型、工作原理 966 32.1.2氢燃气轮机国内外发展概况 968 32.1.3氢燃气轮机发展趋势 973 32.1.4氢燃气轮机的低碳排放优势 973 32.2燃气轮机氢燃料 974 32.2.1纯氢燃料 975 32.2.2掺氢燃料 975 32.2.3氨燃料 975 32.3氢燃气轮机燃烧室 976 32.3.1氢燃气轮机燃烧学基础 976 32.3.2氢燃气轮机燃烧室结构设计 979 32.3.3氢燃气轮机污染物排放与控制 982 32.4氢燃气轮机透平 985 32.4.1氢燃气轮机透平气动设计 985 32.4.2氢燃气轮机透平结构设计 990 32.4.3氢燃气轮机透平热管理 997 32.5氢燃气轮机技术挑战 999 32.5.1燃烧技术问题 999 32.5.2材料技术问题 1000 32.5.3其他技术问题 1002 32.6氢燃气轮机应用 1002 32.6.1风光电-氢-电系统 1002 32.6.2调峰调频 1003 32.6.3分布式能源 1004 32.6.4替代传统煤电存量项目 1005 参考文献 1005
第33章天然气掺氢内燃机及民用燃烧器 1008 33.1天然气掺氢燃料特性 1008 33.1.1物理和化学性质 1008 33.1.2燃烧速度 1010 33.1.3最小点火能量 1013 33.1.4可燃极限 1015 33.1.5火焰稳定性 1015 33.2天然气掺氢内燃机 1019 33.2.1燃料预混系统 1019 33.2.2燃烧与排放控制 1021 33.2.3应用现状 1026 33.3天然气掺氢民用燃烧器 1029 33.3.1互换性分析 1029 33.3.2燃烧特性 1032 33.3.3应用现状 1035 参考文献 1035
第34章氢还原与非高炉炼铁 1037 34.1高炉喷氢工艺 1037 34.1.1高炉喷吹富氢气体工艺 1037 34.1.2高炉喷吹纯氢气体工艺 1039 34.2氢能竖炉直接还原 1040 34.2.1富氢竖炉工艺 1040 34.2.2纯氢竖炉工艺 1043 34.3熔融还原工艺 1046 34.3.1COREX 工艺 1046 34.3.2FINEX 工艺 1047 34.3.3HIsmelt 工艺 1048 34.3.4HIsarna 工艺 1049 34.3.5内蒙古赛思普CISP工艺 1049 参考文献 1050
附录氢能相关政策、标准 1052 附表一部分国家氢能政策梳理 1052 附表二地方氢能政策梳理 1059 附表三国际标准化组织(ISO)氢能技术标准 1062 附表四国际电工委员会(IEC)氢能技术标准 1064 附表五美国氢能技术标准及规程 1067 附表六日本氢能技术标准 1069 附表七德国氢能技术标准 1070 附表八其他地区及国家氢能技术标准及法规 1072 附表九我国氢能现行国家标准 1072 附表十我国氢能现行行业标准 1090 附表十一我国氢能现行地方标准 1098 附表十二我国氢能现行团体标准 1100 附表十三我国氢能储运加涉及特种设备安全技术规范(TSG) 1117 附表十四我国氢能储运加相关法规及规范 1117 附表十五国际氢能储运加相关法规及规范 1118
索引 1119
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