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 098
5.1氢研究现状 098
5.1.1氢制备 099
5.1.2氢储存 102
5.1.3氢运输 102
5.1.4氢使用 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氢应急预警 117
5.3.1氢气监测与预警原理 117
5.3.2氢气监测与预警场景 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福岛核电站氢气炸事故 127
5.5.3加州克拉拉市氢气炸和火灾事故 129
5.5.4挪威加氢站炸事故 130
5.5.5韩国储氢罐炸 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 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 296
8.3.1性能影响因素 296
8.3.2效率评 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 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 422
14.1氢的危险来源 422
14.1.1氢的固有危险性 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 426
14.2.1制氢系统危险和有害因素 426
14.2.2设计 427
14.2.3作要求 428
14.3化石能源制氢 429
14.3.1物料危险性 429
14.3.2不因素及范措施 430
14.4氢气提纯 431
14.4.1原料气的危险性 432
14.4.2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 572
17.4.1液氢风险及失效机制 572
17.4.2液氢生产、储运过程中的技术规范 573
17.4.3液氢储运过程中的技术规范 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核心零件介绍 651
19.4.5加注标准及通用要求 653
19.4.6加注过程要求 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 666
20.2.2氢气压力管道件用材料 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电堆及其材料与件 719
22.3.2核心辅助件 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双板测试 738
23.1.5膜电测试 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膜电技术 764
24.3.2电堆技术 767
24.3.3系统关键件 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材料与件 783
25.2.1电解质材料 783
25.2.2阳材料 784
25.2.3阴材料 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 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理论研究和力场 812
26.2.4膜电 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 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.EMFC 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 电结构和膜电设计 888
28.3.2DMFC 耐腐蚀双板 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氢气缸内燃烧性 956
31.3.2氢内燃机异常燃烧性 958
31.3.3氢内燃机排放性 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