氢:从化学品、能源到能量载体
陈诵英、陈桥、牛卫永 等 编著
责编：成荣霞
书号:978-7-122-46360-9
版次: 1
出版时间: 2025-03-01
详细介绍了快速发展的氢能技术及其在未来智慧能源网络系统中的重要作用，其内容涵盖氢能的多个技术领域及其进展，几乎涉及氢经济发展的所有方面：氢燃料、氢燃料电池技术及其应用、氢的可持续生产技术、氢存储技术特别是移动应用储氢技术以及氢燃料运输分布和安全方面的内容。本书对作为化学品、能源和能量载体的氢气作了较全面叙述，延伸到氢在可持续发展...
《氢：化学品、能源和能量载体》一书以系统性视角整合氢的“三重身份”：化学品（如氨、甲醇合成）、能源（燃料应用）及能量载体（储能介质），并构建了氢能技术的全景图谱。
本书共11章，以“基础-战略-应用-技术”逻辑展开：
• 基础性质－解析氢的物理化学特性，对比甲烷、汽油等燃料的差异性，并阐述氢作为化学品的历史。
• 战略导向－从能源革命、碳中和目标到智慧能源网络构建，解析氢能如何重塑未来能源体系。
• 应用落地－针对氢燃料内燃机、航空器、燃料电池车辆等具体场景，提供工程化解决方案。
• 数据支撑－详述全球氢能政策（如IPHE、IEA-HCG等国际平台）、各国发展现状（美欧、中日韩等案例）及技术经济性对比。
• 技术整合－现有书籍多聚焦氢能某单一领域，本书首创性全面涵盖氢生产、存储、运输全链条，填补跨学科知识空白。
读者对象 :本书可以作为新能源、氢能、电力、交通工具等相关工业和设备制造技术研发和设计的科技人员、工程师和管理人员的重要参考书。也可以作为高等院校能源特别是可再生能源和氢燃料电池领域新材料、运输，以及化学、化工、环境等相关专业本科生、研究生和教师的专业参考书和教材。
目录
1 氢性质和氢化学品 001
1.1 概述 001
1.2 氢的一般性质 005
1.3 氢作为能源和能量载体的特点 009
1.4 氢化学品的合成应用 015
1.4.1 氢的化学性质 016
1.4.2 氨的合成 017
1.4.3 甲醇的合成 017
1.4.4 二甲醚的合成 018
1.4.5 油脂加氢 019
1.4.6 精细化学品的合成 019
1.5 氢化学品在气体和液体燃料（油品）生产和提级中的应用 019
1.5.1 合成天然气 019
1.5.2 合成烃类（F-T合成反应） 021
1.5.3 煤浆直接加氢制油 022
1.6 氢化学品在油品炼制中的应用 022
1.7 天然气中掺氢气 026
2 氢化学品生产方法 029
2.1 概述 029
2.1.1 生产氢化学品的原料和技术 029
2.1.2 氢作为化学品和能源在生产技术上的选择和差别 031
2.1.3 氢化学品的热生产工艺 031
2.1.4 氢气的生产成本和价格 032
2.2 烃类重整制氢 032
2.3 甲烷蒸汽重整 034
2.3.1 SMR反应和催化剂 034
2.3.2 预重整单元 035
2.3.3 主蒸汽重整单元 036
2.3.4 SMR工艺流程 037
2.3.5 SMR催化剂上的碳沉积 037
2.3.6 常规烃类的蒸汽重整 039
2.4 部分氧化重整 040
2.5 自热重整 041
2.6 甲烷二氧化碳重整和水相重整 042
2.6.1 甲烷二氧化碳重整（干重整） 042
2.6.2 水相重整 043
2.7 化学品重整制氢 044
2.7.1 甲醇重整制氢 044
2.7.2 氨重整制氢 046
2.8 煤炭气化 046
2.9 制氢原料中硫化物的脱除 047
2.9.1 制氢原料的脱硫 047
2.9.2 天然气中硫杂质的脱除 048
2.9.3 天然气中其它杂质的脱除 048
2.10 水汽变换技术 049
2.10.1 引言 049
2.10.2 水汽变换反应 049
2.10.3 水汽变换催化剂 050
2.11 氢气的最后净化和提纯 052
2.11.1 引言 052
2.11.2 变压吸附 053
2.11.3 钯膜分离 056
2.11.4 甲烷化 056
2.11.5 优先CO氧化 057
2.12 工业副产氢气 058
2.12.1 概述 058
2.12.2 中国氢气供给结构预测 059
3 初级能源资源 061
3.1 引言 061
3.2 能量和人类社会的发展 062
3.2.1 GDP与能源消耗 063
3.2.2 初级能源市场发展 064
3.3 能源消费的现在和未来 066
3.3.1 地球上的能源资源 066
3.3.2 人类使用能量的形式 068
3.3.3 目前能源消耗情况 069
3.3.4 初级能源消耗分布 069
3.3.5 使用能源资源类型的转变 073
3.4 能源资源分析 075
3.4.1 使用能源数量的预测 075
3.4.2 太阳辐射到地球的能量 077
3.4.3 地球上碳和氢元素的循环 078
3.4.4 化石能源消耗和CO2排放 079
3.5 初级能源资源Ⅰ：煤炭、石油、天然气 080
3.5.1 引言 080
3.5.2 石油 081
3.5.3 煤炭 084
3.5.4 天然气、页岩气和页岩油 088
3.6 初级能源资源Ⅱ：核能和生物质能 092
3.6.1 核能 092
3.6.2 生物质能 093
3.7 初级能源资源Ⅲ：可再生非碳能源 095
3.7.1 引言 095
3.7.2 水电 096
3.7.3 地热能 096
3.7.4 风能 097
3.7.5 太阳能 098
4 次级能源和能量载体——电力 103
4.1 引言 103
4.2 生产电力的初级能源 104
4.2.1 全球电力生产 104
4.2.2 电力生产面对的全球挑战 106
4.3 缓解电力生产挑战的办法 108
4.3.1 引言 108
4.3.2 增加能源利用效率 111
4.3.3 利用非碳能源（可再生能源） 111
4.3.4 发展氢能源技术 112
4.4 发电厂效率的提高 112
4.4.1 能源转化效率 112
4.4.2 化石能源生产电力 114
4.4.3 联产——同时发电和生产合成燃料 115
4.5 “零”碳电力生产技术 116
4.5.1 引言 116
4.5.2 水力发电 117
4.5.3 地热发电 117
4.5.4 风力发电 118
4.5.5 太阳能发电 121
4.5.6 生物质发电 127
4.5.7 核电 127
4.6 电力储存（储能）技术概述 128
4.7 机械储能技术 130
4.7.1 泵抽水电储能（PHS） 130
4.7.2 压缩空气储能（CAES） 131
4.7.3 飞轮能量存储（FES） 133
4.8 电磁储能 136
4.8.1 超级电容器储能（SCES） 136
4.8.2 超导磁储能（SMES） 137
4.9 电池储能（电化学储能）系统（BESS） 138
4.9.1 引言 138
4.9.2 液流电池 140
4.9.3 锂电池 142
4.9.4 铅酸电池（LA） 143
4.9.5 镍电池 143
4.9.6 钠硫（Na-S）电池 144
4.9.7 金属-空气电池 145
4.10 热储能 145
4.10.1 显热储能 145
4.10.2 潜热储能 146
4.10.3 热化学储能 146
4.11 储能技术比较 147
4.11.1 引言 147
4.11.2 评估电力存储技术的主要参数 148
4.11.3 储能技术小结 151
4.11.4 典型储能技术的比较 152
4.11.5 可再生能源电力的存储 153
4.11.6 储能技术应用实例（欧洲） 154
5 能源变革和氢能源 156
5.1 引言 156
5.2 能源资源利用历史和发展趋势 158
5.2.1 能源资源的利用历史 158
5.2.2 氢能源 159
5.2.3 零碳能源资源 160
5.3 全球能源革命 160
5.3.1 能源供应多样化或多元化（diversification） 161
5.3.2 加速能源的低碳化或去碳化（decarbonisation） 161
5.3.3 能源的数字化（digitalisation，信息化、智能化）管理 161
5.3.4 推进和发展分布式发电（decentralisation，去集中化） 161
5.3.5 能源网顾客要求民主化（democratisation） 161
5.3.6 能源的清洁化和去污染化（depollution）或脱碳化 161
5.4 可持续能源技术 162
5.4.1 氢能源和氢燃料电池 162
5.4.2 新低碳、零碳和增能的建筑技术 162
5.4.3 现有建筑物能源改造 162
5.4.4 光伏技术（PV） 163
5.4.5 碳捕集和封存（CCS）技术 163
5.4.6 生物柴油 163
5.4.7 车用燃料替代物 163
5.4.8 智慧/微电网技术 163
5.4.9 风力发电技术 163
5.4.10 洁净煤技术 164
5.4.11 能量存储技术 164
5.4.12 工业过程的能量改造 164
5.4.13 地热能 164
5.4.14 热泵 164
5.4.15 太阳热能 165
5.4.16 水电 165
5.4.17 生态城、能源互联网、热量回收、海上运输能源改造和建立零碳 建筑物 165
5.5 氢经济和氢能源系统 165
5.5.1 氢经济 165
5.5.2 氢经济的推动力 166
5.5.3 氢能源满足可持续性标准 167
5.5.4 氢的生命周期 167
5.5.5 氢燃料和氢能源 168
5.5.6 可持续发展战略中的氢循环 171
5.6 可再生氢经济的国际平台 172
5.6.1 国际氢能经济和燃料电池伙伴计划（IPHE） 172
5.6.2 国际能源署氢能协作组（IEA-HCG） 173
5.6.3 国际氢能协会（IAHE） 173
5.6.4 国际氢能委员会（Hydrogen Council） 173
5.6.5 国际合作和区域性合作 173
5.7 全球氢能源发展现状——美欧国家 174
5.7.1 引言 174
5.7.2 美国氢能源发展现状 176
5.7.3 欧盟氢能源发展现状 177
5.7.4 德国 179
5.7.5 俄罗斯 180
5.7.6 北欧国家 181
5.8 全球氢能源发展现状——亚洲国家和澳大利亚 183
5.8.1 日本氢能源发展现状 183
5.8.2 韩国氢能源发展现状 185
5.8.3 印度氢能源发展现状 186
5.8.4 马来西亚氢能源发展现状 187
5.8.5 其它亚洲国家氢能源发展现状 188
5.8.6 澳大利亚的可持续氢经济 189
5.8.7 亚洲国家可再生氢经济面临的挑战 190
5.9 中国氢能的发展 191
5.9.1 引言 191
5.9.2 中国发展氢能源的总体目标 193
5.9.3 技术路线展望 193
5.9.4 中国发展氢能源产业的优势 193
5.9.5 中国氢经济发展预测 195
5.9.6 中国能源低碳化发展 196
5.10 氢能源集成体系的发展 197
6 氢燃料 199
6.1 概述 199
6.1.1 氢能源历史简述 200
6.1.2 氢燃料概述 200
6.1.3 运输部门对氢燃料的需求 201
6.1.4 氢燃料燃烧的异常现象 201
6.1.5 防止氢燃烧异常的措施 202
6.2 含氢气体燃料 202
6.2.1 焦炉煤气 202
6.2.2 合成气 203
6.2.3 氢锅炉燃料 203
6.2.4 燃氢锅炉 204
6.2.5 高氢含量燃气对工业燃烧过程的影响 206
6.3 引擎革命 207
6.3.1 引擎技术提级和替代车辆技术 207
6.3.2 氢燃料引擎的环境影响 209
6.3.3 不同车用燃料的比较 209
6.4 车用氢-天然气混合燃料 211
6.4.1 氢-天然气混合燃料（HCNG） 211
6.4.2 美国HCNG现状 212
6.4.3 印度HCNG现状 213
6.4.4 瑞典HCNG现状 213
6.4.5 挪威HCNG现状 213
6.4.6 意大利HCNG现状 214
6.4.7 加拿大HCNG现状 214
6.4.8 中国HCNG现状 214
6.5 车用氢-液体混合燃料 215
6.5.1 汽油-氢混合燃料 216
6.5.2 柴油-氢混合燃料 217
6.6 氢燃料内燃机 217
6.6.1 引言 217
6.6.2 氢燃料电火花引发（SI）引擎 218
6.6.3 氢燃料压缩引发（CI）引擎 219
6.6.4 氢燃料内燃引擎车辆 220
6.6.5 对氢燃料车辆的评论和比较 221
6.7 氢燃料飞行器 223
6.7.1 引言 223
6.7.2 氢航空器发展历史 224
6.7.3 氢燃料航空器的关键问题 225
6.7.4 航空燃料尾气温室效应 226
6.7.5 飞行器中氢燃料输送问题 228
6.7.6 氢燃烧器 228
6.7.7 氢燃料航空器构型 230
6.7.8 航空器的安全问题 231
6.8 航空器液氢燃料的存储 232
6.8.1 引言 232
6.8.2 储罐形状和体积 232
6.8.3 绝缘方法和材料 233
6.9 氢燃料火箭 235
6.9.1 引言 235
6.9.2 我国的氢火箭发动机 235
6.9.3 YF-75氢氧发动机 236
6.10 氢燃料的其它应用 237
6.10.1 引言 237
6.10.2 切割领域 237
6.10.3 医疗制药领域 238
6.10.4 汽车发动机积碳的清除 238
6.10.5 焚烧领域 238
6.10.6 脉冲吹灰 238
6.10.7 窑炉和锅炉节能 238
7 氢燃料电池技术 240
7.1 引言 240
7.2 氢燃料电池 242
7.2.1 原理 242
7.2.2 能量转换技术的比较 243
7.3 氢燃料电池类型、特征、优势及挑战 247
7.3.1 氢燃料电池类型 247
7.3.2 氢燃料电池特征 247
7.3.3 氢燃料电池的优势 247
7.3.4 氢燃料电池面临的挑战 253
7.4 氢燃料电池主要组件、单元池、池堆和系统 255
7.4.1 膜电极装配体（MEA） 255
7.4.2 池堆（电堆） 256
7.4.3 氢燃料电池系统 257
7.4.4 国内外氢燃料电池性能比较 261
7.5 氢燃料电池的便携式和固定应用 262
7.5.1 引言 262
7.5.2 便携式应用和移动装置应用 264
7.5.3 氢燃料电池固定应用 265
7.5.4 应急备用电源（EPS） 266
7.5.5 遥远地区电力供应（RAPS） 266
7.5.6 分布式电源和CHP（热电联产）应用 267
7.6 氢燃料电池技术在运输领域中的应用 268
7.6.1 引言 268
7.6.2 辅助功率单元（APU） 269
7.6.3 轻型牵引车辆（LTV） 270
7.6.4 轻型燃料电池电动车辆（L-FCEV） 271
7.6.5 重型燃料电池电动车辆（H-FCEV） 273
7.6.6 中国氢燃料电池车辆 275
7.7 燃料电池车辆的发展状态 276
7.7.1 美国 276
7.7.2 欧盟 277
7.7.3 日本 277
7.7.4 韩国 277
7.7.5 中国 277
7.7.6 氢燃料电池车辆成本 279
7.8 氢燃料电池航空和船舶应用 280
7.8.1 航空推进 280
7.8.2 船舶推进 281
7.9 氢燃料电池技术现状和展望 283
7.9.1 引言 283
7.9.2 氢燃料电池系统耐用性和寿命 283
7.9.3 系统启动时间 284
7.9.4 性能降解 284
7.9.5 瞬时应答特性和优化操作时间 284
7.9.6 燃料电池CHP（FC CHP）系统的成本 284
7.9.7 未来目标 285
7.9.8 中国氢燃料电池发展目标 286
8 未来智慧能源网络与氢能源 291
8.1 传统能源网络和未来能源网络 291
8.1.1 现时的传统能源网络系统 291
8.1.2 未来能源网络系统 293
8.1.3 过渡时期的能源网络系统 295
8.1.4 能源网络系统小结 297
8.2 可持续能源网络的特征 297
8.2.1 智慧电网 297
8.2.2 可持续能源网络的特色 299
8.2.3 智能电网和未来能源网络系统的基本特征 300
8.3 未来能源网络系统中的运输部门 301
8.3.1 效率 302
8.3.2 储能 305
8.3.3 成本 306
8.4 氢燃料与可再生能源利用 308
8.4.1 氢能源与可持续能源战略 308
8.4.2 与氢能源的竞争技术 309
8.4.3 氢能与电力间的互补作用 309
8.4.4 可再生能源利用现状 310
8.5 氢是良好的能量转换介质 311
8.5.1 氢燃料 311
8.5.2 氢燃料的电化学转化——氢燃料电池技术 312
8.6 氢能量载体用于储能 312
8.6.1 储氢储能系统 313
8.6.2 储氢储能技术的发展 313
8.6.3 储氢和燃料电池技术能提高能源的利用效率 314
8.7 氢燃料电池在可持续清洁能源网络系统中的作用小结 315
8.8 未来能源网络中氢能的区域性问题 315
8.8.1 离岸氢中心（OHC） 316
8.8.2 岸边氢中心（CHC） 316
8.8.3 陆地氢中心（IHC） 317
8.8.4 自治区域氢中心（AHC） 317
8.8.5 未来能源网络系统中的氢能源网络 317
8.8.6 屋顶上的发电装置 318
9 可持续产氢技术 319
9.1 引言 319
9.2 产氢能源和原料 320
9.3 氢化学品、氢能源和氢能量载体 322
9.3.1 可再生氢 322
9.3.2 产氢工艺分类 323
9.4 水电解制氢 325
9.4.1 引言 325
9.4.2 水电解的原理和优点 325
9.4.3 可再生能源电力电解水产氢 327
9.5 水电解反应器——电解器 329
9.5.1 引言 329
9.5.2 碱电解池（AEC） 331
9.5.3 质子交换膜电解器（聚合物电解池，PEMEC） 332
9.5.4 固体氧化物电解池（SOEC） 333
9.5.5 无膜电解器 335
9.6 热解和光（电）解水产氢 338
9.6.1 热化学水分解 339
9.6.2 光（电）分解水产氢（光电电解池） 340
9.6.3 生物光解产氢（光助微生物分解水） 341
9.7 生物质热化学产氢工艺 345
9.7.1 引言 345
9.7.2 生物质热解产氢 347
9.7.3 生物质气化产氢 347
9.7.4 生物质超临界水气化（SCWG）产氢 350
9.8 生物质生物化学工艺产氢技术 351
9.8.1 生物氢 351
9.8.2 暗发酵 352
9.8.3 光发酵工艺 353
9.8.4 微生物电解池 354
9.8.5 生物产氢工艺的集成 355
9.8.6 生物工艺产氢速率的比较 356
9.9 产氢技术比较 357
10 氢的存储 361
10.1 概述 361
10.1.1 储氢系统的优势 362
10.1.2 固定应用部门中的氢能存储单元 363
10.1.3 运输部门应用的储能单元 363
10.2 储氢技术概述 365
10.2.1 引言 365
10.2.2 储氢技术分类和简述 367
10.2.3 气体管网储氢（电力-氢气工厂） 368
10.3 移动应用氢燃料的存储 370
10.4 气态氢存储 371
10.4.1 压缩储氢原理 372
10.4.2 压缩氢存储成本 373
10.5 液态氢存储 373
10.5.1 低温液氢存储 373
10.5.2 液体储氢 374
10.5.3 液体化合物化学储氢 375
10.6 固态储氢材料 376
10.6.1 引言 376
10.6.2 金属（合金）氢化物 378
10.6.3 复合氢化物 380
10.6.4 氢化物材料中的纳米约束 380
10.6.5 碳基储氢材料 381
10.6.6 沸石材料 383
10.6.7 金属有机框架（MOF） 383
10.6.8 共价有机骨架（COF） 384
10.6.9 微孔金属配位材料（MMOM） 384
10.6.10 螯合水合物 385
10.7 固体储氢材料 385
10.7.1 引言 385
10.7.2 多孔材料上的物理吸附 385
10.7.3 MOF材料的氢吸附热（反应焓） 386
10.7.4 MOF材料中的Kubas键合 387
10.7.5 离子化方法 388
10.7.6 储氢材料的极化 388
10.7.7 储氢材料的辐射照射（辐照） 389
10.7.8 诱导氢溢流 389
10.8 储氢技术的比较和小结 390
10.9 储氢固体材料的集成加工 393
10.9.1 粉体成型技术 393
10.9.2 电纺技术 394
11 氢的运输配送分布和安全 396
11.1 引言 396
11.2 氢的运输配送分布方法 397
11.2.1 氢运输配送方法分类 397
11.2.2 运氢技术参数和运输成本的比较 399
11.3 配送氢的公用基础设施 401
11.3.1 氢分布网络 401
11.3.2 已建成的氢气管线网络 402
11.3.3 现有气体管道网络输送氢气 403
11.4 充氢基础设施——充氢站 404
11.4.1 Ⅰ型加氢站：外部供氢 404
11.4.2 Ⅱ型加氢站：站内原位产氢 406
11.5 加氢站建设现状 406
11.5.1 引言 406
11.5.2 南北美洲加氢站 408
11.5.3 欧洲加氢站 410
11.5.4 亚洲加氢站 412
11.5.5 中国加氢站 414
11.5.6 小结 415
11.6 氢燃料的安全性 416
11.6.1 引言 416
11.6.2 氢和常用燃料安全性比较 417
11.6.3 安全使用氢气规范 419
11.7 氢燃料在不同领域的安全性 419
11.7.1 氢燃料的有害性 419
11.7.2 低引发能量 419
11.7.3 氢燃料运输中的安全性 419
11.7.4 储氢安全性 420
11.7.5 移动应用氢燃料的安全性 420
11.7.6 氢安全编码和标准 421
11.7.7 检测氢的传感器 422
参考文献 424
附录 436
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