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本書由德國氫能與燃料電池協(xié)會組織編寫，內(nèi)容包括作為戰(zhàn)略性二次能量載體的氫，氫在電力系統(tǒng)大規(guī)模儲能中的作用，氫的應(yīng)用安全性，移動式應(yīng)用，氫和燃料電池在航空中的移動式應(yīng)用，住宅能量供應(yīng)中的燃料電池，備用電源，與安全相關(guān)的應(yīng)用，便攜式燃料電池，常規(guī)、低碳、綠色的氫的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，電解方法，大型電解系統(tǒng)的發(fā)展：需求和方法，在基于可再生能源的供應(yīng)系統(tǒng)中提供氫的成本，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEFC）的現(xiàn)狀和觀點，鹽穴儲氫，氫從電力到X（Power-to-X）的關(guān)鍵元素。本書適合氫能與燃料電池行業(yè)的從業(yè)人員閱讀使用，也適合高等院校能源相關(guān)專業(yè)的師生閱讀參考。

自20世紀(jì)70年代以來，公眾一直在討論基于使用可再生能源的可持續(xù)能源供應(yīng)，以替代在此之前幾乎占有全部份額的化石能量載體。這些考慮的出發(fā)點是基于當(dāng)時的原油危機(jī)、采購和運輸問題（如蘇伊士運河危機(jī)）所引發(fā)的化石資源有限性意識的提高。
此外，羅馬俱樂部（Club of Rome）的報告讓人們注意到化石能量載體對環(huán)境的破壞，其中CO2排放導(dǎo)致的氣候變化首當(dāng)其沖。即使由于發(fā)現(xiàn)了新的（大多是更復(fù)雜、更容易獲得的）礦床，化石資源的供應(yīng)在此期間得到了緩解，關(guān)于化石資源有限性的基本觀點仍然是正確的。由于世界人口不斷增長，越來越多的群體參與到能源繁榮中，導(dǎo)致能源問題變得越來越嚴(yán)重。此外，研究表明，消耗化石能量載體時的CO2排放所造成的經(jīng)濟(jì)損失要比當(dāng)今的氣候保護(hù)更為昂貴。
原則上，解決這一問題的方法就是利用可再生能源。然而，至少對于風(fēng)能和太陽能來說，其供應(yīng)會受到相當(dāng)大的時間上和統(tǒng)計學(xué)上波動的影響，并且很難按需求提供。只有大規(guī)模存儲才能彌補(bǔ)這種不連續(xù)性，因為它必須能夠在數(shù)天甚至數(shù)周內(nèi)平衡能量。更好的電網(wǎng)擴(kuò)展雖然可以為局部的（但不是時間的）補(bǔ)償做出貢獻(xiàn)，但已經(jīng)表明，在德國，即使是將風(fēng)電從北向南引入，電網(wǎng)擴(kuò)展也是困難的。將電網(wǎng)擴(kuò)展到整個歐洲將更加困難。
在德國，已有通過抽水蓄能電站和通過壓縮空氣蓄能電站實現(xiàn)大規(guī)模電力存儲的應(yīng)用，這兩種方案存儲了勢能。只有通過使用化學(xué)能載體，才能在存儲設(shè)施內(nèi)以更高的能量密度在更長的時間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模存儲。隨著燃料電池的使用，氫在電能再轉(zhuǎn)換方面可以提供高效率。
自從德國政府推動能源轉(zhuǎn)型以來，所有這些討論都大大加劇了。能源轉(zhuǎn)型不應(yīng)理解為僅僅是電力轉(zhuǎn)型，而應(yīng)理解為所有能量的形式，包括電力、熱力和燃料的再生。未來，能量的利用將越來越網(wǎng)絡(luò)化，例如通過熱電耦合，將一個轉(zhuǎn)換流程覆蓋多個領(lǐng)域。其中，氫在這里將發(fā)揮核心作用，因為它可以通過多種方式從所有可再生的能源中生產(chǎn)，然后以不同方式存儲并零排放地直接轉(zhuǎn)化為電能，此外，還可以轉(zhuǎn)化為動能和熱能。除了這種多樣性，也考慮到了使用氫的成本。氫很少需要季節(jié)性的存儲，并且相對昂貴，但由于它同時也可用作交通運輸、生產(chǎn)過程等的燃料，以及在化工和食品工業(yè)中作為原料，用于家庭能量供給和應(yīng)急電源供給以及為電網(wǎng)提供調(diào)節(jié)功率，可以預(yù)見其經(jīng)濟(jì)用途非常廣泛。所有這一切都需要連續(xù)生產(chǎn)，即大規(guī)模電解，電解應(yīng)使用來自可再生能源的電力并根據(jù)供應(yīng)的波動以可擴(kuò)展的方式運行。就此而言，未來的能源系統(tǒng)將比傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)更加復(fù)雜，但也應(yīng)創(chuàng)造條件，將生產(chǎn)者和消費者聯(lián)網(wǎng)，作為普遍節(jié)能的基礎(chǔ)。
在此背景下，值得注意的是，當(dāng)有足夠可用的可再生能源用于發(fā)電，當(dāng)將氫用作所產(chǎn)生的電力的存儲介質(zhì)，當(dāng)氫用于再轉(zhuǎn)化或以物質(zhì)形式分配時，則可以影響到國民經(jīng)濟(jì)價值鏈中的所有環(huán)節(jié)。
其中，電網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng)之間的相互作用尤為重要。燃?xì)夤芫W(wǎng)能夠吸收、運輸和存儲大量的能量。氫可以摻入天然氣中，但它只能用作產(chǎn)生熱能。為了可以高效率地使用，例如作為遠(yuǎn)程運輸?shù)碾妱悠嚨娜剂�，則需要純氫，對此，本書第4章將做詳細(xì)介紹。氫的一些其他應(yīng)用，例如在安全相關(guān)的系統(tǒng)中燃料電池的缺氧使用，將在后面的章節(jié)中討論。
并非所有使用方法或其中所需要的設(shè)備都處于同一發(fā)展水平。有些已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行批量生產(chǎn)或已經(jīng)市場化，例如燃料電池電動汽車、零排放和不間斷電源以及家用供暖系統(tǒng)，其他的系統(tǒng)正進(jìn)行現(xiàn)場試驗。在第2版中，這些與應(yīng)用相關(guān)的章節(jié)已更新，以反映新的技術(shù)狀態(tài)。
隨著技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，協(xié)同效應(yīng)如同氫基礎(chǔ)設(shè)施的改善一樣值得期待。
對于氫的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用，成本價格當(dāng)然是決定性的。本書第13章給出了不同產(chǎn)氫方法的成本比較。通過水的電解從可再生一次能源生產(chǎn)氫這種重要的能量轉(zhuǎn)換方法在第11章和第12章中進(jìn)行描述。兆瓦級的大型電解槽為集中式制氫開辟了全新的領(lǐng)域。在第14章中討論了燃料電池及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和未來。這些章節(jié)經(jīng)過了很大程度的修訂，特別是關(guān)于新的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)一步的觀點。
此外，本書在第1版基礎(chǔ)上還增加了兩個部分：一個是關(guān)于氫的鹽穴存儲，另一個是從電力到X（Power-to-X），即將燃?xì)庠谀茉聪到y(tǒng)中的作用視為對所有未來可能性的總結(jié)。
當(dāng)然，這本書并不能說是完整的。氫的可能用途是廣泛的，未來，必將進(jìn)一步挖掘其潛力。但氫作為能量載體的市場導(dǎo)入臨界點已經(jīng)過去了。通過這本書，作者、編輯和出版商希望讓工程師、技術(shù)人員和管理人員有機(jī)會考慮開始使用這項技術(shù)，尋找合作機(jī)會并拓寬他們對整個領(lǐng)域的知識面。
氫當(dāng)然不是將現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型為可持續(xù)的能源供給的靈丹妙藥，但它作為典范將為德國的能源轉(zhuǎn)型成功做出重要貢獻(xiàn)。

約翰內(nèi)斯·特普勒（Johannes Tpler），德國氫能與燃料電池協(xié)會，埃斯林根大學(xué)
約亨·萊曼（Jochen Lehmann），德國氫能與燃料電池協(xié)會，施特拉爾松德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)

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氫的運輸和存儲8
1.3.1氣態(tài)或液態(tài)氫的運輸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)：競爭對手和可能的整合14
1.5.1氫和交通運輸15
1.5.2氫和核聚變：從另一個角度審視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非絕熱壓縮空氣儲能電站（CAES）20
2.3.3絕熱壓縮空氣儲能電站（AA-CAES）20
2.3.4氫存儲系統(tǒng)20
2.3.5甲烷存儲系統(tǒng)21
2.4模型描述21
2.5研究場景的描述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40
3.4.6化合物41
3.4.7法律上的框架條件41
3.5運輸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章移動式應(yīng)用44
4.1可持續(xù)的移動性44
4.2動力總成的電氣化50
4.3對燃料電池汽車和燃料電池動力總成的要求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燃料電池動力總成的技術(shù)實施55
4.4.1乘用車的具體特點55
4.4.2貨車的具體特點56
4.4.3客車的具體特點56
4.5燃料電池驅(qū)動的主要系統(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運營管理挑戰(zhàn)：效率和冷啟動64
4.6移動式應(yīng)用的氫存儲系統(tǒng)67
4.6.1壓力存儲設(shè)施67
4.6.2液態(tài)氫的存儲71
4.6.3氫化物71
4.6.4其他方案73
4.7移動式應(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式應(yīng)用88
5.1引言88
5.2氫作為主要動力88
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)場的電動滑行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)度的檢測系統(tǒng)148
10.4氫的運輸和分配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175
12.4為大型電解系統(tǒng)設(shè)計哪些安全性方案179
12.5這些大型電解系統(tǒng)的持續(xù)運行需要哪些服務(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章鹽穴儲氫236
15.1引言236
15.2鹽穴儲能的歷史236
15.3鹽穴儲氫技術(shù)238
15.4氫洞穴在能源轉(zhuǎn)型實施中的作用239
15.5德國鹽穴中氫的存儲潛力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267
16.6.1以交通運輸?shù)碾娏π枨鬄槔�，從電力系統(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

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