氫與燃料電池 原書第2版

序
第2版前言
譯者的話
第1章作為戰(zhàn)略性二次能量載體的氫1
1.1框架條件1
1.2氫和能源產(chǎn)業(yè)3
1.2.1氫的性質(zhì)3
1.2.2氫的生產(chǎn)4
1.2.3由化石能量載體和生物質(zhì)制氫4
1.2.4通過熱能分解水6
1.2.5通過電能（電解）分解水6
1.2.6通過陽光分解水（光催化）8
1.3氫的運(yùn)輸和存儲(chǔ)8
1.3.1氣態(tài)或液態(tài)氫的運(yùn)輸8
1.3.2通過管道進(jìn)行氫分配9
1.3.3鹽穴中氫的存儲(chǔ)9
1.4氫作為化學(xué)原材料的應(yīng)用和在能量轉(zhuǎn)換技術(shù)中的應(yīng)用10
1.4.1氨的生產(chǎn)11
1.4.2石化行業(yè)中的氫11
1.4.3氫和燃料電池11
1.4.4氫作為汽車燃料12
1.4.5氫作為飛機(jī)燃料13
1.4.6氫作為CCS電廠的中間產(chǎn)品13
1.4.7鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)中的氫13
1.4.8氫作為甲烷和甲醇生產(chǎn)的原材料14
1.5氫經(jīng)濟(jì)：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和可能的整合14
1.5.1氫和交通運(yùn)輸15
1.5.2氫和核聚變：從另一個(gè)角度審視16
1.6總結(jié)和展望16
參考文獻(xiàn)17
第2章氫在電力系統(tǒng)大規(guī)模儲(chǔ)能中的作用18
2.1引言18
2.2研究主題19
2.3大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)19
2.3.1抽水蓄能電站（PSW）20
2.3.2非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站（CAES）20
2.3.3絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站（AA-CAES）20
2.3.4氫存儲(chǔ)系統(tǒng)20
2.3.5甲烷存儲(chǔ)系統(tǒng)21
2.4模型描述21
2.5研究場(chǎng)景的描述22
2.5.1一般的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和假設(shè)22
2.5.2敏感性分析的說明23
2.6結(jié)果24
2.6.1基本場(chǎng)景24
2.6.2敏感性分析25
2.6.3氫應(yīng)用的季節(jié)性和電力結(jié)構(gòu)27
2.7結(jié)論和總結(jié)29
參考文獻(xiàn)30
第3章氫的應(yīng)用安全性32
3.1概述32
3.2氫的危險(xiǎn)特性32
3.2.1易燃性33
3.2.2小的分子34
3.2.3低溫34
3.2.4其他35
3.3防爆35
3.3.1區(qū)域36
3.3.2一次防爆36
3.3.3二次防爆37
3.3.4結(jié)構(gòu)性防爆37
3.3.5法律方面的框架條件38
3.4存儲(chǔ)38
3.4.1壓縮氣體39
3.4.2低溫液體39
3.4.3熔融物40
3.4.4超臨界流體40
3.4.5地下存儲(chǔ)40
3.4.6化合物41
3.4.7法律上的框架條件41
3.5運(yùn)輸42
3.5.1管道42
3.5.2道路42
3.5.3其他交通路線43
3.5.4法律上的框架條件43
參考文獻(xiàn)43
第4章移動(dòng)式應(yīng)用44
4.1可持續(xù)的移動(dòng)性44
4.2動(dòng)力總成的電氣化50
4.3對(duì)燃料電池汽車和燃料電池動(dòng)力總成的要求53
4.3.1技術(shù)要求54
4.3.2立法要求/法規(guī)54
4.3.3車輛制造商的內(nèi)部要求54
4.4燃料電池動(dòng)力總成的技術(shù)實(shí)施55
4.4.1乘用車的具體特點(diǎn)55
4.4.2貨車的具體特點(diǎn)56
4.4.3客車的具體特點(diǎn)56
4.5燃料電池驅(qū)動(dòng)的主要系統(tǒng)59
4.5.1燃料電池堆59
4.5.2燃料電池系統(tǒng)61
4.5.3高壓（HV）架構(gòu)63
4.5.4運(yùn)營(yíng)管理挑戰(zhàn)：效率和冷啟動(dòng)64
4.6移動(dòng)式應(yīng)用的氫存儲(chǔ)系統(tǒng)67
4.6.1壓力存儲(chǔ)設(shè)施67
4.6.2液態(tài)氫的存儲(chǔ)71
4.6.3氫化物71
4.6.4其他方案73
4.7移動(dòng)式應(yīng)用中燃料電池技術(shù)的歷史74
4.7.1貨車和乘用車74
4.7.2城市公交車77
4.7.3其他移動(dòng)式應(yīng)用81
4.8展望83
參考文獻(xiàn)85
第5章氫和燃料電池在航空中的移動(dòng)式應(yīng)用88
5.1引言88
5.2氫作為主要?jiǎng)恿?8
5.3商用飛機(jī)上燃料電池的功能90
5.4燃料電池在飛機(jī)上作為“小型”應(yīng)急發(fā)電裝置95
5.5商用飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的電動(dòng)滑行95
5.6小型飛機(jī)中的燃料電池96
5.7無人機(jī)中的燃料電池97
5.8總結(jié)100
參考文獻(xiàn)101
第6章住宅能量供應(yīng)中的燃料電池104
6.1熱電聯(lián)產(chǎn)104
6.2為什么仍然是燃料電池106
6.3基于天然氣的燃料電池加熱裝置109
6.4住宅內(nèi)燃料電池加熱裝置的集成113
6.5使用可再生能源的燃料電池加熱裝置115
6.6燃料電池加熱裝置的現(xiàn)狀和展望117
參考文獻(xiàn)117
第7章備用電源118
7.1意義和應(yīng)用領(lǐng)域118
7.2技術(shù)狀態(tài)118
7.2.1USV系統(tǒng)119
7.2.2應(yīng)急電源系統(tǒng)（NEA）120
7.3采用燃料電池的備用電源121
7.3.1重要要求和合適的燃料電池類型123
7.3.2合適的燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征124
7.4技術(shù)比較124
第8章與安全相關(guān)的應(yīng)用127
8.1燃料電池和防火127
8.2減氧概述128
8.2.1材料的保護(hù)129
8.2.2人員的逗留130
8.2.3保護(hù)區(qū)130
8.3燃料電池的新應(yīng)用131
8.4結(jié)論132
參考文獻(xiàn)133
第9章便攜式燃料電池134
9.1引言134
9.2技術(shù)狀態(tài)134
9.2.1氫系統(tǒng)134
9.2.2直接甲醇燃料電池135
9.2.3帶前置重整器的燃料電池系統(tǒng)137
9.2.4小功率的固體氧化物燃料電池137
9.3儲(chǔ)氫設(shè)施138
9.4微型燃料電池138
參考文獻(xiàn)139
第10章常規(guī)、低碳、綠色的氫的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用141
10.1引言141
10.2氫作為工業(yè)原材料142
10.2.1按行業(yè)劃分的全球應(yīng)用情況142
10.2.2工業(yè)應(yīng)用142
10.3氫的生產(chǎn)143
10.3.1利用化石資源的傳統(tǒng)生產(chǎn)143
10.3.2來自化石資源的低碳生產(chǎn)146
10.3.3可再生（綠色）氫的生產(chǎn)147
10.3.4氫的溫室氣體強(qiáng)度的檢測(cè)系統(tǒng)148
10.4氫的運(yùn)輸和分配148
10.5工業(yè)上低碳制氫的應(yīng)用149
10.5.1低碳和綠色氫的主要應(yīng)用方式的比較149
10.5.2在工業(yè)中低碳制氫應(yīng)用的機(jī)遇和障礙151
10.6采取行動(dòng)的必要性152
參考文獻(xiàn)153
第11章電解方法155
11.1引言155
11.2物理化學(xué)基礎(chǔ)157
11.3堿性電解160
11.4PEM電解162
11.5高溫電解163
11.6技術(shù)現(xiàn)狀165
11.6.1堿性電解概貌165
11.6.2PEM電解概貌166
11.7當(dāng)今應(yīng)用示例167
11.7.1從電力到氣體（Power-to-Gas）167
11.7.2加注站168
11.8展望168
參考文獻(xiàn)169
第12章大型電解系統(tǒng)的發(fā)展：需求和方法172
12.1引言172
12.2為什么需要大型電解系統(tǒng)以及“大型”是什么意思172
12.3大型電解系統(tǒng)的開發(fā)必須吸收其他領(lǐng)域的哪些經(jīng)驗(yàn)175
12.4為大型電解系統(tǒng)設(shè)計(jì)哪些安全性方案179
12.5這些大型電解系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行需要哪些服務(wù)180
12.6展望182
參考文獻(xiàn)183
第13章在基于可再生能源的供應(yīng)系統(tǒng)中提供氫的成本184
13.1引言184
13.2在互補(bǔ)的供應(yīng)系統(tǒng)中的電力和氫185
13.3氫的生產(chǎn)186
13.4氫的運(yùn)輸和分配188
13.5將氫與可再生能源整合到能源系統(tǒng)中189
13.6總結(jié)193
參考文獻(xiàn)195
第14章聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEFC）的現(xiàn)狀和觀點(diǎn)197
14.1摘要197
14.2引言197
14.3聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的總體設(shè)計(jì)201
14.3.1膜電極組件（MEA）202
14.3.2聚合物電解質(zhì)膜203
14.3.3催化劑205
14.3.4催化劑層208
14.3.5氣體擴(kuò)散層（GDL）212
14.4雙極板214
14.4.1雙極板的功能和特性215
14.4.2金屬雙極板與石墨復(fù)合雙極板的比較219
14.5密封件220
14.6電堆集成222
14.7對(duì)電堆成本的考慮225
14.8與其他燃料電池技術(shù)的區(qū)別228
14.8.1堿性燃料電池（AFC）229
14.8.2磷酸燃料電池（PAFC）和高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEFC）230
14.8.3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）230
14.8.4氧化物陶瓷燃料電池（SOFC）231
參考文獻(xiàn)231
第15章鹽穴儲(chǔ)氫236
15.1引言236
15.2鹽穴儲(chǔ)能的歷史236
15.3鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)238
15.4氫洞穴在能源轉(zhuǎn)型實(shí)施中的作用239
15.5德國(guó)鹽穴中氫的存儲(chǔ)潛力241
15.6展望242
參考文獻(xiàn)242
第16章氫從電力到X（Power-to-X）的關(guān)鍵元素244
16.1引言244
16.2從電力到氫245
16.2.1電力供應(yīng)246
16.2.2電解247
16.2.3儲(chǔ)氫設(shè)施249
16.2.4PtH2裝置方案250
16.3從電力到甲烷251
16.3.1高溫電解253
16.3.2甲烷化253
16.3.3CO2供給254
16.4從電力到液體257
16.4.1PtL的生產(chǎn)257
16.4.2案例研究：噴氣燃料259
16.4.3PtL作為燃料是有意義的還是無稽之談259
16.5PtX燃料比較260
16.5.1PtX組件的技術(shù)成熟度等級(jí)260
16.5.2“從油井到油箱”（well-to-tank）的PtX生產(chǎn)效率261
16.5.3案例分析：乘用車“從油井到車輪”262
16.6氫的系統(tǒng)性觀點(diǎn)267
16.6.1以交通運(yùn)輸?shù)碾娏π枨鬄槔瑥碾娏ο到y(tǒng)角度看可再生電力（EE）與PtX的集成268
16.6.2PtH2作為部門耦合的關(guān)鍵組件268
16.6.3案例研究：煉油廠中的氫270
16.7總結(jié)和展望271
參考文獻(xiàn)273