氢能源及综合利用技术

现代能源主要依赖基于化石能源的燃料，化石能源产生的温室效应及其对环境的负面影响，引起了人们对可再生能源的兴趣。氢气是一种清洁环境友好的二次能源，一直以来备受关注。但由于其安全性问题，一直没有实现广泛应用。随着环境问题日益严重，氢气的利用近几年得到了特别的重视，应用技术也取得了飞速发展，氢气已经被视为未来最具发展潜力的清洁能源。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，未来氢储能技术在航运、汽车、电力、化工领域均具有非常广泛的应用前景，对于国家双碳目标的实现和新能源的利用具备重要的战略意义和实际应用价值。
氢储能系统主要包括氢气的制取、储运和利用三个方面。本书对氢气的制取、存储和利用技术进行了总结。介绍了制氢技术的常见方法，包括目前工业上应用广泛的化石原料制氢，未来将大规模应用的电解水制氢、光解水制氢和生物质制氢等前瞻性技术；介绍了氢气存储的主要方法，包括高压储氢、低温液态储氢、固态储氢、有机液体储氢等方法，各类储氢材料的分类、加脱氢方法和机理、加脱氢控制技术、优缺点及应用的场景；介绍了各类储氢材料的储运方式，主要介绍了管道运输和车船运输，针对不同的储氢技术需要采用不同的运输方法；氢能的利用技术，包括氢能的热能利用、氢燃料电池技术、氢燃料热机技术、氢燃烧的特性和安全管控等。
氢作为理想的清洁二次能源，是最有希望取代传统能源成为能源的终极解决方案，未来我们将跨入一个崭新的能源社会，氢能和电能共同构成整个能源网络，成为能源结构中的两大支柱，并实现能源的标准化。
本书是云南电网有限责任公司电力科学研究院氢储能团队和华北电力大学集体智慧的结晶，是数十位相关领域专家和技术人员辛勤劳动的结果，本书的出版受到云南省重大科技专项“氢储能促进可再生能源消纳、利用及装备技术研究与示范”（2019ZE004）资助。相信本书会对氢能的利用领域、电力行业及相关行业的技术人员及高校师生开展相关工作提供借鉴和参考。

编著者
2022年5月

郑欣，云南电网有限责任公司电力科学研究院，高*级工程师，材料学硕士，2006年以来从事储氢材料、装置开发及氢能系统应用研究，现担任云南电网硕士工作站导师。主要从事有机液体储氢材料、储氢合金研究及其储存装置开发，可再生能源制氢与氢储能技术。主主持1项云南省重点项目，多项南网公司项目，云南省青年拔尖人才，云南电网公司领军技术专家。

《氢能源及综合利用技术》系统介绍了氢能在制备、储运和利用等各个环节的技术发展现状。本书共分五章，主要内容包括氢能技术研究现状、制氢技术、储氢技术、氢的运输技术、氢能利用技术，基本涵盖了氢能从获取到应用的完整流程，对现有应用的技术手段和研究发展方向做了较为全面的介绍。
《氢能源及综合利用技术》可供电力、交通、能源及相关行业的技术人员开展相关工程和研究工作使用和参考，也可作为高校相关专业师生的教材和参考书。

第1章氢能技术研究现状1
1.1氢能基本介绍1
1.1.1氢气的特性1
1.1.2氢能的制取、存储与利用2
1.2氢能的研究现状3
1.2.1国外研究现状3
1.2.2国内研究现状4

第2章制氢技术6
2.1化石原料制氢6
2.1.1煤制氢6
2.1.2天然气制氢11
2.1.3工业副产氢13
2.1.4甲醇制氢16
2.1.5化石原料制氢技术发展前景19
2.2电解水制氢20
2.2.1碱性电解水制氢20
2.2.2质子交换膜电解水制氢35
2.2.3固体氧化物电解水制氢47
2.2.4电解水制氢技术发展前景61
2.3光解水制氢61
2.3.1光解水制氢的主要方法62
2.3.2光催化剂的影响因素62
2.3.3光解水催化剂研究进展63
2.3.4光解水制氢技术发展前景66
2.4生物质制氢69
2.4.1化学法制氢69
2.4.2生物法制氢72
2.4.3生物质制氢技术发展前景74
2.5本章总结74
参考文献75

第3章储氢技术76
3.1气态压缩储氢76
3.1.1高压储氢技术77
3.1.2玻璃储氢容器79
3.2低温液态储氢82
3.2.1低温绝热技术82
3.2.2低温储罐设计87
3.3固态储氢90
3.3.1合金储氢技术90
3.3.2金属有机框架（MOFs）储氢技术105
3.3.3氢化物储氢技术110
3.3.4碳材料储氢技术130
3.4有机液态储氢134
3.4.1芳香烃类135
3.4.2甲醇类144
3.4.3甲酸152
3.4.4水合肼158
3.5本章总结166
参考文献168

第4章氢的运输技术178
4.1管道运输178
4.1.1氢气的管道输送方法178
4.1.2氢气管网输送关键技术182
4.2氢气的车船运输194
4.2.1氢气的车船运输方式195
4.2.2氢气车船运输关键技术199
4.3本章总结203
参考文献203

第5章氢能利用技术206
5.1热能利用206
5.1.1氢气催化燃烧206
5.1.2天然气掺氢212
5.2氢燃料电池217
5.2.1质子交换膜燃料电池217
5.2.2固体氧化物燃料电池225
5.2.3碱性燃料电池228
5.2.4磷酸燃料电池229
5.3氢燃料热机230
5.3.1氢燃料的特性231
5.3.2斯特林热气机232
5.3.3活塞式氢内燃机238
5.3.4氢燃气轮机242
5.3.5氢热机的余热利用249
5.4氢能的安全利用253
5.4.1氢燃料的特性253
5.4.2风险管控254
5.5本章总结256
参考文献256