本書首先概述了基于堿性電解和質(zhì)子交換膜電解制氫和制氧的技術(shù)，簡要介紹了該技術(shù)的歷史背景和總體概念，包括電解槽的電化學(xué)性能、將單電解槽堆疊成大容量電堆的技術(shù)以及這些電堆的性能和特點；再詳細介紹了兩種相關(guān)技術(shù)的工藝流程、配套及輔助設(shè)備情況；最后，介紹了當(dāng)前電解水制氫的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，對現(xiàn)有技術(shù)局限性、技術(shù)難點及未來前景也做了介紹和討論。此外，本書對高溫蒸汽電解制氫技術(shù)進行了深入的研究，詳細介紹了該技術(shù)所涉及的固態(tài)電化學(xué)基礎(chǔ)、電解槽的性能和耐久性、現(xiàn)有局限性、技術(shù)難點及具體的運行模式。
本書可供立足于氫能源行業(yè)，尤其是從事燃料電池技術(shù)研究的工程師閱讀參考，也可以作為相關(guān)專業(yè)高校師生的參考讀物。
碳達峰碳中和目標已經(jīng)影響到各行各業(yè)。如果技術(shù)路線選擇得當(dāng)，在使用氫能的過程中有可能實現(xiàn)真正的全鏈條零排放，因此，氫能的利用被視為實現(xiàn)雙碳目標的有效路徑。而如今水電解技術(shù)則是制氫的主要手段。
在過去幾十年中，全球碳氫化合物能源經(jīng)濟受到了來自經(jīng)濟和環(huán)境等方面的嚴重制約。能源需求不斷增長，化石燃料產(chǎn)能不斷下降，不僅威脅了全球能源供應(yīng)，也給環(huán)境帶來了巨大壓力。因此，尋找碳氫燃料的替代品是一項至關(guān)重要的工作。氫就是一種很有前途的替代品，優(yōu)點頗多。氫在化石能源、核能、可再生能源與電能之間架起了一座橋梁，為能源生產(chǎn)和最終的用途鏈添加了靈活性。人們可以利用可再生能源生產(chǎn)的電力電解制氫，氫可以成為一種低碳足跡的能源載體。此外，氫在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，電解制氫的經(jīng)濟意義同樣重大。氫也是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成含碳燃料這一工藝過程的必要元素。因此，如何以可持續(xù)、高效和環(huán)保的方式制氫，是氫經(jīng)濟中最重要的一個環(huán)節(jié)。
水電解技術(shù)是如今制氫的主要手段，如果采用可再生能源發(fā)電制氫，不僅可以實現(xiàn)零碳，而且與其他大多數(shù)儲能技術(shù)（如電池儲能、飛輪儲能等）有所不同的是，電解水制氫可以將電能和儲能分離，這在為能源需求與能源供應(yīng)不匹配的地區(qū)設(shè)計能源系統(tǒng)時是非常有用的。
因此，水電解制氫技術(shù)在未來有著廣闊的應(yīng)用場景，這也是這本書誕生的初衷。它全面介紹了水電解制氫的技術(shù)特點以及困難和挑戰(zhàn)，通過本書，讀者能夠較為全面地了解水電解制氫產(chǎn)業(yè)的全景。因此無論產(chǎn)業(yè)中的工程師、高校師生，還是相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究人員和政策制定者，都能夠從本書中獲得有效的信息和靈感。
低成本的氫將催生一個以氫為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源的新時代。
在過去幾十年中，全球碳氫化合物能源經(jīng)濟受到了來自經(jīng)濟和環(huán)境等方面的嚴重制約。能源需求不斷增長，化石燃料產(chǎn)能不斷下降，不僅威脅了全球能源供應(yīng)，也給環(huán)境帶來了巨大壓力。因此，尋找碳氫燃料的替代品是一項至關(guān)重要的工作。氫就是一種很有前途的替代品，優(yōu)點頗多。氫在化石能源、核能、可再生能源與電能之間架起了一座橋梁，為能源生產(chǎn)和最終的用途鏈添加了靈活性。人們可以利用可再生能源生產(chǎn)的電力電解制氫，氫可以成為一種低碳足跡的能源載體。此外，氫在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，電解制氫的經(jīng)濟意義同樣重大。氫也是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成含碳燃料這一工藝過程的必要元素。因此，如何以可持續(xù)、高效和環(huán)保的方式制氫，是氫經(jīng)濟中最重要的一個環(huán)節(jié)。
由于全球能源形勢的影響，電解水制氫一直是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域。它在將零碳電力源轉(zhuǎn)化為各種終端用途的零碳氫和零碳氧方面潛力巨大。這一點，在過去十年中重新引起了人們的重視，不少國家已經(jīng)擬定了發(fā)展規(guī)劃并開展了各種研究，以發(fā)展新的可再生能源利用技術(shù)。但氫經(jīng)濟的全球化轉(zhuǎn)型不可能一蹴而就，公共投入支持的研發(fā)和氫能基礎(chǔ)設(shè)施的部署將有助于實現(xiàn)這一愿景。近年來，歐盟制定了應(yīng)對2020年及以后能源和氣候變化的目標。該目標雄心勃勃， 對能源和交通運輸系統(tǒng)的脫碳之路做了長期規(guī)劃。同時，能源供應(yīng)安全問題也是一項重要的政治議題。這些戰(zhàn)略目標都已反映在歐盟委員會地平線2020議案中，該議案是歐洲2020計劃的研究內(nèi)容和創(chuàng)新部分的主體。燃料電池和氫能技術(shù)有可能為實現(xiàn)這些目標做出貢獻，而且它們也是歐盟能源和氣候議題的技術(shù)主體構(gòu)成部分即SET計劃的一部分。在過去十年，這些技術(shù)在效率、耐久性和降本方面都取得了重大進展。預(yù)計在20152020年左右，它們能實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)同等的競爭力，歐盟為此制定了精細的績效目標，期待在研發(fā)方面付出足夠的努力后可以實現(xiàn)這些目標。氫能的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)開始，2012年的市場規(guī)模為7.85億美元，市場規(guī)模增長迅速，預(yù)計在未來10 ~ 20年間，每年可達到430億 ~ 1390億美元，這種增長可以創(chuàng)造出數(shù)十萬個工作崗位。
現(xiàn)在的問題是，歐洲如何才能在這個新興市場中占據(jù)較大的份額，以及在接下來的幾年必須要做哪些工作。在這一背景下，電解水制氫，尤其是聚合物電解質(zhì)膜電解水制氫技術(shù)有望發(fā)揮越來越大的作用。
由此出現(xiàn)了對電解制氫的需求。電解水制氫是將瞬態(tài)的電能轉(zhuǎn)換為易于儲運的化學(xué)燃料的理想選擇。目前，新技術(shù)不斷被創(chuàng)造出來，現(xiàn)有技術(shù)也不斷得到優(yōu)化，還開發(fā)出了眾多耐高溫的新材料。
電解水制氫技術(shù)很適合使用可再生能源來制氫，該技術(shù)可以根據(jù)制氫系統(tǒng)的輸入功率調(diào)整設(shè)備的功耗。電解水制氫還具有技術(shù)可擴展的優(yōu)勢，允許系統(tǒng)在千瓦到兆瓦的功率范圍內(nèi)運行。與其他大多數(shù)儲能技術(shù)（如電池儲能、飛輪儲能等）有所不同的是，電解水制氫可以將電能和儲能分離，這在為能源需求與能源供應(yīng)不匹配的地區(qū)設(shè)計能源系統(tǒng)時是非常有用的。
本書首先概述了基于堿性電解和質(zhì)子交換膜電解制氫和制氧的技術(shù)，簡要介紹了該技術(shù)的歷史背景和總體概念，包括電解槽的電化學(xué)性能、將單電解槽堆疊成大容量電堆的技術(shù)，以及這些電堆的性能和特點；再詳細介紹了兩種相關(guān)技術(shù)的工藝流程、配套及輔助設(shè)備情況；最后，介紹了當(dāng)前電解水制氫的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，對現(xiàn)有技術(shù)的局限性、技術(shù)難點及未來前景也做了介紹和討論。此外，本書對高溫蒸汽電解制氫技術(shù)進行了深入的研究，詳細介紹了該技術(shù)所涉及的固態(tài)電化學(xué)基礎(chǔ)、電解槽的性能和耐久性、現(xiàn)有局限性、技術(shù)難點及具體的運行模式。本書還針對美國能源部（DOE）設(shè)定的現(xiàn)有限制和遠景目標，分析了不同儲氫方案的利弊。
讓讀者認識到可再生能源與電解水系統(tǒng)的耦合所帶來的困難與挑戰(zhàn)是很重要的。本書對電解水系統(tǒng)設(shè)計、電力電子技術(shù)和過程控制的影響進行了全面回顧，包括從氫產(chǎn)能、效率和系統(tǒng)壽命等方面分析間歇性對電解水制氫系統(tǒng)性能和可靠性的影響；根據(jù)選定的關(guān)鍵標準，對質(zhì)子交換膜電解水制氫、堿性電解水制氫和高溫蒸汽電解水制氫等技術(shù)與可再生能源進行耦合的適用性進行了定性比較。
本書作者的目標是在這一領(lǐng)域出版一本參考書，討論該技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的一些局限性和對未來的展望。因此，本書全面回顧了新技術(shù)，涵蓋了電解水和高溫電解（材料、技術(shù)）的方方面面，并在性能、成本方面與現(xiàn)有技術(shù)進行比較。
最后，我要感謝所有作者的出色合作，及時提交稿件和修改。非常感謝Waltraud Wuest博士、Heike Noethe博士，他們在編寫這本書的手稿方面做了出色的工作，感謝來自德國魏因海姆的Wiley VCH幫助出版了本書。
阿加塔·戈杜拉-喬佩克
2014年10月
德國 慕尼黑
本書作者Agata Godula-Jopek擁有化學(xué)工程，科學(xué)活動營銷和管理以及外貿(mào)的三個理學(xué)碩士學(xué)位 - 所有這些都是在她的家鄉(xiāng)波蘭克拉科夫技術(shù)大學(xué)獲得的。在克拉科夫的波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所的氣態(tài)燃料電化學(xué)氧化系工作期間，她獲得了二元熔融碳酸鹽電化學(xué)博士學(xué)位 - 熔融碳酸鹽的電解質(zhì)。她在德國MTU CFC Solutions完成了博士后研究。2012年，Agata在波蘭羅茲理工大學(xué)過程與環(huán)境工程學(xué)院獲得了技術(shù)科學(xué)專業(yè)的資格，重點是化學(xué)工程。
Agata目前是能源和推進部空中客車集團創(chuàng)新部門的專家。她還被聘為波蘭格利維采波蘭科學(xué)院化學(xué)工程研究所的副教授。她撰寫了多篇科學(xué)出版物和專利。最近，Agata與人合著了一本關(guān)于氫存儲技術(shù)的書。新材料、交通和基礎(chǔ)設(shè)施。
序
前?言
第1章 引言1
1.1 制氫方法的技術(shù)概況9
1.1.1 重整制氫9
1.1.2 電解12
1.1.3 氣化13
1.1.4 生物質(zhì)和生物質(zhì)衍生燃料的轉(zhuǎn)化14
1.1.5 水分解16
1.2 總結(jié)和制氫成本概覽17
參考文獻22
第2章 水電解的基本原理26
2.1 水分解反應(yīng)熱力學(xué) 26
2.1.1 熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)26
2.1.2 工作溫度的選擇準則28
2.1.3 電化學(xué)水分解28
2.1.4 水分解電壓的pH相關(guān)性30
2.1.5 水分解電壓的溫度相關(guān)性32
2.1.6 水分解電壓的壓力相關(guān)性33
2.2 電化學(xué)水分解的效率38
2.2.1 水分解電解槽/小室：一般特性38
2.2.2 電化學(xué)裝置的主要能耗來源40
2.2.3 水電解槽的能量效率41
2.2.4 水電解槽的法拉第效率42
2.3 水分解反應(yīng)動力學(xué)43
2.3.1 酸性介質(zhì)中的半電池反應(yīng)機理43
2.3.2 堿性介質(zhì)中的半電池反應(yīng)機理46
2.3.3 工作溫度對動力學(xué)的影響47
2.3.4 工作壓力對動力學(xué)的作用48
2.4 結(jié)論49
參考文獻49
第3章 質(zhì)子交換膜水電解51
3.1 導(dǎo)言及歷史背景51
3.2 固體聚合物電解質(zhì)電解槽的概念53
3.3 PEM電解槽/小室54
3.3.1 概述54
3.3.2 膜電極組件55
3.3.3 電流-氣體分散層57
3.3.4 墊片59
3.3.5 雙極板59
3.4 PEM電解槽/小室的電化學(xué)性能60
3.4.1 極化曲線60
3.4.2 單電極的特性62
3.4.3 電荷密度和電極粗糙度63
3.4.4 電化學(xué)阻抗譜（EIS）特性66
3.4.5 壓力型水電解和交叉滲透現(xiàn)象69
3.4.6 耐久性問題：衰減機制和緩解策略73
3.5 電解槽電堆74
3.5.1 電解槽電堆的不同配置74
3.5.2 PEM電解槽電堆設(shè)計75
3.5.3 電解槽電堆的性能76
3.5.4 診斷工具與維護77
3.6 輔助（BoP）系統(tǒng)79
3.6.1 概述79
3.6.2 成本分析80
3.7 主要供應(yīng)商、商業(yè)發(fā)展歷程和應(yīng)用81
3.7.1 商業(yè)地位81
3.7.2 市場和應(yīng)用82
3.8 局限、挑戰(zhàn)和前景83
3.8.1 用非貴金屬電催化劑替代鉑84
3.8.2 用非貴金屬電催化劑替代銥85
3.8.3 在更高溫度下運行的質(zhì)子膜86
3.8.4 高電流密度運行86
3.8.5 高壓操作87
3.9 結(jié)論88
參考文獻89
第4章 堿性水電解92
4.1 歷史背景92
4.2 電解槽單元95
4.2.1 概述95
4.2.2 電解液97
4.2.3 電極和催化劑98
4.2.4 隔膜/分離器101
4.3 堿性水電解槽的電化學(xué)性能107
4.3.1 極化曲線107
4.3.2 電解槽性能比較108
4.3.3 高溫運行109
4.3.4 高壓操作111
4.4 主要供應(yīng)商、商業(yè)發(fā)展和應(yīng)用115
4.4.1 電解槽市場115
4.4.2 商用電解槽設(shè)計119
4.4.3 先進電解槽設(shè)計124
4.5 結(jié)論127
參考文獻127
第5章 單元化再生系統(tǒng)131
5.1 簡介131
5.2 基本概念131
5.2.1 熱力學(xué)131
5.2.2 半電池反應(yīng)134
5.2.3 過程可逆性135
5.3 低溫PEM URFC137
5.3.1 原理137
5.3.2 電池結(jié)構(gòu)和URFC堆138
5.3.3 性能139
5.3.4 局限性和展望143
5.4 高溫URFC144
5.4.1 原理144
5.4.2 電池結(jié)構(gòu)144
5.4.3 性能145
5.4.4 局限性和前景147
5.5 總結(jié)與展望147
參考文獻148
第6章 高溫蒸汽電解149
6.1 導(dǎo)言149
6.2 技術(shù)概述150
6.3 SOEC中的固態(tài)電化學(xué)基礎(chǔ)154
6.3.1 電極極化曲線154
6.3.2 SOEC 電極中電化學(xué)、質(zhì)量和電荷轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)知識163
6.3.3 溫度在SOEC運行中的作用185
6.3.4 總結(jié)191
6.4 性能和耐久性191
6.4.1 性能192
6.4.2 耐久性196
6.4.3 電堆電化學(xué)和熱管理198
6.5 限制和挑戰(zhàn)201
6.5.1 衰減問題201
6.5.2 系統(tǒng)集成和經(jīng)濟考慮203
6.6 具體操作模式205
6.6.1 加壓運行205
6.6.2 可逆操作206
6.6.3 共電解206
參考文獻207
第7章 儲氫方案面對的限制和挑戰(zhàn)216
7.1 導(dǎo)言216
7.2 液態(tài)氫219
7.3 壓縮氫氣223
7.4 低溫壓縮氫氣225
7.5 固態(tài)儲氫的材料和系統(tǒng)相關(guān)問題228
7.5.1 物理儲存概述230
7.5.2 化學(xué)儲存概述235
7.6 總結(jié)241
參考文獻242
第8章 氫：可再生能源的儲存方式246
8.1 導(dǎo)言246
8.2 氫氣：可再生能源（RE）的儲存方式247
8.2.1 可再生能源：特點及其對電網(wǎng)的影響247
8.2.2 電網(wǎng)儲能251
8.2.3 儲能用氫氣255
8.3 間歇能源供電的電解：技術(shù)挑戰(zhàn)以及對性能和可靠性的影響258
8.3.1 間歇性對系統(tǒng)設(shè)計和運行的影響259
8.3.2 動態(tài)運行下的系統(tǒng)性能和可靠性264
8.3.3 通過改進設(shè)計和運行管理間歇性272
8.4 集成方案和示例277
8.4.1 自主應(yīng)用279
8.4.2 并網(wǎng)應(yīng)用281
8.4.3 高溫蒸汽電解與可再生能源的集成285
8.5 技術(shù)經(jīng)濟評估287
8.5.1 用于離網(wǎng)應(yīng)用的氫氣287
8.5.2 流動性用氫288
8.5.3 氫能源為電網(wǎng)提供服務(wù)的一種方式288
8.6 模擬在經(jīng)濟評估中的作用289
8.6.1 模擬的目標290
8.6.2 模擬的主要輸入數(shù)據(jù)對結(jié)果穩(wěn)健性的影響291
8.6.3 優(yōu)化和敏感性分析296
8.6.4 用于氫基系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟評估的現(xiàn)有軟件產(chǎn)品示例297
8.7 結(jié)論298
參考文獻299
第9章 總結(jié)與展望303
9.1 水電解技術(shù)的比較306
9.2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及主要生產(chǎn)廠家307
9.2.1 堿性水電解307
9.2.2 PEM水電解308
9.2.3 固體氧化物水電解308
9.3 材料和系統(tǒng)路線圖規(guī)范309
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