氫：化學品、能源和能量載體

1　氫性質和氫化學品  　  001
1.1　概述  　  001
1.2　氫的一般性質  　  005
1.3　氫作為能源和能量載體的特點  　  009
1.4　氫化學品的合成應用  　  015
1.4.1　氫的化學性質  　  016
1.4.2　氨的合成  　  017
1.4.3　甲醇的合成  　  017
1.4.4　二甲醚的合成  　  018
1.4.5　油脂加氫  　  019
1.4.6　精細化學品的合成  　  019
1.5　氫化學品在氣體和液體燃料（油品）生產和提級中的應用  　  019
1.5.1　合成天然氣  　  019
1.5.2　合成烴類（F-T合成反應）  　  021
1.5.3　煤漿直接加氫制油  　  022
1.6　氫化學品在油品煉制中的應用  　  022
1.7　天然氣中摻氫氣  　  026
2　氫化學品生產方法  　  029
2.1　概述  　  029
2.1.1　生產氫化學品的原料和技術  　  029
2.1.2　氫作為化學品和能源在生產技術上的選擇和差別  　  031
2.1.3　氫化學品的熱生產工藝  　  031
2.1.4　氫氣的生產成本和價格  　  032
2.2　烴類重整制氫  　  032
2.3　甲烷蒸汽重整  　  034
2.3.1　SMR反應和催化劑  　  034
2.3.2　預重整單元  　  035
2.3.3　主蒸汽重整單元  　  036
2.3.4　SMR工藝流程  　  037
2.3.5　SMR催化劑上的碳沉積  　  037
2.3.6　常規(guī)烴類的蒸汽重整  　  039
2.4　部分氧化重整  　  040
2.5　自熱重整  　  041
2.6　甲烷二氧化碳重整和水相重整  　  042
2.6.1　甲烷二氧化碳重整（干重整）  　  042
2.6.2　水相重整  　  043
2.7　化學品重整制氫  　  044
2.7.1　甲醇重整制氫  　  044
2.7.2　氨重整制氫  　  046
2.8　煤炭氣化  　  046
2.9　制氫原料中硫化物的脫除  　  047
2.9.1　制氫原料的脫硫  　  047
2.9.2　天然氣中硫雜質的脫除  　  048
2.9.3　天然氣中其它雜質的脫除  　  048
2.10　水汽變換技術  　  049
2.10.1　引言  　  049
2.10.2　水汽變換反應  　  049
2.10.3　水汽變換催化劑  　  050
2.11　氫氣的最后凈化和提純  　  052
2.11.1　引言  　  052
2.11.2　變壓吸附  　  053
2.11.3　鈀膜分離  　  056
2.11.4　甲烷化  　  056
2.11.5　優(yōu)先CO氧化  　  057
2.12　工業(yè)副產氫氣  　  058
2.12.1　概述  　  058
2.12.2　中國氫氣供給結構預測  　  059
3　初級能源資源  　  061
3.1　引言  　  061
3.2　能量和人類社會的發(fā)展  　  062
3.2.1　GDP與能源消耗  　  063
3.2.2　初級能源市場發(fā)展  　  064
3.3　能源消費的現(xiàn)在和未來  　  066
3.3.1　地球上的能源資源  　  066
3.3.2　人類使用能量的形式  　  068
3.3.3　目前能源消耗情況  　  069
3.3.4　初級能源消耗分布  　  069
3.3.5　使用能源資源類型的轉變  　  073
3.4　能源資源分析  　  075
3.4.1　使用能源數(shù)量的預測  　  075
3.4.2　太陽輻射到地球的能量  　  077
3.4.3　地球上碳和氫元素的循環(huán)  　  078
3.4.4　化石能源消耗和CO2排放  　  079
3.5　初級能源資源Ⅰ：煤炭、石油、天然氣  　  080
3.5.1　引言  　  080
3.5.2　石油  　  081
3.5.3　煤炭  　  084
3.5.4　天然氣、頁巖氣和頁巖油  　  088
3.6　初級能源資源Ⅱ：核能和生物質能  　  092
3.6.1　核能  　  092
3.6.2　生物質能  　  093
3.7　初級能源資源Ⅲ：可再生非碳能源  　  095
3.7.1　引言  　  095
3.7.2　水電  　  096
3.7.3　地熱能  　  096
3.7.4　風能  　  097
3.7.5　太陽能  　  098
4　次級能源和能量載體——電力  　  103
4.1　引言  　  103
4.2　生產電力的初級能源  　  104
4.2.1　全球電力生產  　  104
4.2.2　電力生產面對的全球挑戰(zhàn)  　  106
4.3　緩解電力生產挑戰(zhàn)的辦法  　  108
4.3.1　引言  　  108
4.3.2　增加能源利用效率  　  111
4.3.3　利用非碳能源（可再生能源）  　  111
4.3.4　發(fā)展氫能源技術  　  112
4.4　發(fā)電廠效率的提高  　  112
4.4.1　能源轉化效率  　  112
4.4.2　化石能源生產電力  　  114
4.4.3　聯(lián)產——同時發(fā)電和生產合成燃料  　  115
4.5　“零”碳電力生產技術  　  116
4.5.1　引言  　  116
4.5.2　水力發(fā)電  　  117
4.5.3　地熱發(fā)電  　  117
4.5.4　風力發(fā)電  　  118
4.5.5　太陽能發(fā)電  　  121
4.5.6　生物質發(fā)電  　  127
4.5.7　核電  　  127
4.6　電力儲存（儲能）技術概述  　  128
4.7　機械儲能技術  　  130
4.7.1　泵抽水電儲能（PHS）  　  130
4.7.2　壓縮空氣儲能（CAES）  　  131
4.7.3　飛輪能量存儲（FES）  　  133
4.8　電磁儲能  　  136
4.8.1　超級電容器儲能（SCES）  　  136
4.8.2　超導磁儲能（SMES）  　  137
4.9　電池儲能（電化學儲能）系統(tǒng)（BESS）  　  138
4.9.1　引言  　  138
4.9.2　液流電池  　  140
4.9.3　鋰電池  　  142
4.9.4　鉛酸電池（LA）  　  143
4.9.5　鎳電池  　  143
4.9.6　鈉硫（Na-S）電池  　  144
4.9.7　金屬-空氣電池  　  145
4.10　熱儲能  　  145
4.10.1　顯熱儲能  　  145
4.10.2　潛熱儲能  　  146
4.10.3　熱化學儲能  　  146
4.11　儲能技術比較  　  147
4.11.1　引言  　  147
4.11.2　評估電力存儲技術的主要參數(shù)  　  148
4.11.3　儲能技術小結  　  151
4.11.4　典型儲能技術的比較  　  152
4.11.5　可再生能源電力的存儲  　  153
4.11.6　儲能技術應用實例（歐洲）  　  154
　
5　能源變革和氫能源  　  156
5.1　引言  　  156
5.2　能源資源利用歷史和發(fā)展趨勢  　  158
5.2.1　能源資源的利用歷史  　  158
5.2.2　氫能源  　  159
5.2.3　零碳能源資源  　  160
5.3　全球能源革命  　  160
5.3.1　能源供應多樣化或多元化（diversification）  　  161
5.3.2　加速能源的低碳化或去碳化（decarbonisation）  　  161
5.3.3　能源的數(shù)字化（digitalisation，信息化、智能化）管理  　  161
5.3.4　推進和發(fā)展分布式發(fā)電（decentralisation，去集中化）  　  161
5.3.5　能源網顧客要求民主化（democratisation）  　  161
5.3.6　能源的清潔化和去污染化（depollution）或脫碳化  　  161
5.4　可持續(xù)能源技術  　  162
5.4.1　氫能源和氫燃料電池  　  162
5.4.2　新低碳、零碳和增能的建筑技術  　  162
5.4.3　現(xiàn)有建筑物能源改造  　  162
5.4.4　光伏技術（PV）  　  163
5.4.5　碳捕集和封存（CCS）技術  　  163
5.4.6　生物柴油  　  163
5.4.7　車用燃料替代物  　  163
5.4.8　智慧/微電網技術  　  163
5.4.9　風力發(fā)電技術  　  163
5.4.10　潔凈煤技術  　  164
5.4.11　能量存儲技術  　  164
5.4.12　工業(yè)過程的能量改造  　  164
5.4.13　地熱能  　  164
5.4.14　熱泵  　  164
5.4.15　太陽熱能  　  165
5.4.16　水電  　  165
5.4.17　生態(tài)城、能源互聯(lián)網、熱量回收、海上運輸能源改造和建立零碳              建筑物  　  165
5.5　氫經濟和氫能源系統(tǒng)  　  165
5.5.1　氫經濟  　  165
5.5.2　氫經濟的推動力  　  166
5.5.3　氫能源滿足可持續(xù)性標準  　  167
5.5.4　氫的生命周期  　  167
5.5.5　氫燃料和氫能源  　  168
5.5.6　可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的氫循環(huán)  　  171
5.6　可再生氫經濟的國際平臺  　  172
5.6.1　國際氫能經濟和燃料電池伙伴計劃（IPHE）  　  172
5.6.2　國際能源署氫能協(xié)作組（IEA-HCG）  　  173
5.6.3　國際氫能協(xié)會（IAHE）  　  173
5.6.4　國際氫能委員會（Hydrogen Council）  　  173
5.6.5　國際合作和區(qū)域性合作  　  173
5.7　全球氫能源發(fā)展現(xiàn)狀——美歐國家  　  174
5.7.1　引言  　  174
5.7.2　美國氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  176
5.7.3　歐盟氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  177
5.7.4　德國  　  179
5.7.5　俄羅斯  　  180
5.7.6　北歐國家  　  181
5.8　全球氫能源發(fā)展現(xiàn)狀——亞洲國家和澳大利亞  　  183
5.8.1　日本氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  183
5.8.2　韓國氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  185
5.8.3　印度氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  186
5.8.4　馬來西亞氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  187
5.8.5　其它亞洲國家氫能源發(fā)展現(xiàn)狀  　  188
5.8.6　澳大利亞的可持續(xù)氫經濟  　  189
5.8.7　亞洲國家可再生氫經濟面臨的挑戰(zhàn)  　  190
5.9　中國氫能的發(fā)展  　  191
5.9.1　引言  　  191
5.9.2　中國發(fā)展氫能源的總體目標  　  193
5.9.3　技術路線展望  　  193
5.9.4　中國發(fā)展氫能源產業(yè)的優(yōu)勢  　  193
5.9.5　中國氫經濟發(fā)展預測  　  195
5.9.6　中國能源低碳化發(fā)展  　  196
5.10　氫能源集成體系的發(fā)展  　  197
　
6　氫燃料  　  199
6.1　概述  　  199
6.1.1　氫能源歷史簡述  　  200
6.1.2　氫燃料概述  　  200
6.1.3　運輸部門對氫燃料的需求  　  201
6.1.4　氫燃料燃燒的異?，F(xiàn)象  　  201
6.1.5　防止氫燃燒異常的措施  　  202
6.2　含氫氣體燃料  　  202
6.2.1　焦爐煤氣  　  202
6.2.2　合成氣  　  203
6.2.3　氫鍋爐燃料  　  203
6.2.4　燃氫鍋爐  　  204
6.2.5　高氫含量燃氣對工業(yè)燃燒過程的影響  　  206
6.3　引擎革命  　  207
6.3.1　引擎技術提級和替代車輛技術  　  207
6.3.2　氫燃料引擎的環(huán)境影響  　  209
6.3.3　不同車用燃料的比較  　  209
6.4　車用氫-天然氣混合燃料  　  211
6.4.1　氫-天然氣混合燃料（HCNG）  　  211
6.4.2　美國HCNG現(xiàn)狀  　  212
6.4.3　印度HCNG現(xiàn)狀  　  213
6.4.4　瑞典HCNG現(xiàn)狀  　  213
6.4.5　挪威HCNG現(xiàn)狀  　  213
6.4.6　意大利HCNG現(xiàn)狀  　  214
6.4.7　加拿大HCNG現(xiàn)狀  　  214
6.4.8　中國HCNG現(xiàn)狀  　  214
6.5　車用氫-液體混合燃料  　  215
6.5.1　汽油-氫混合燃料  　  216
6.5.2　柴油-氫混合燃料  　  217
6.6　氫燃料內燃機  　  217
6.6.1　引言  　  217
6.6.2　氫燃料電火花引發(fā)（SI）引擎  　  218
6.6.3　氫燃料壓縮引發(fā)（CI）引擎  　  219
6.6.4　氫燃料內燃引擎車輛  　  220
6.6.5　對氫燃料車輛的評論和比較  　  221
6.7　氫燃料飛行器  　  223
6.7.1　引言  　  223
6.7.2　氫航空器發(fā)展歷史  　  224
6.7.3　氫燃料航空器的關鍵問題  　  225
6.7.4　航空燃料尾氣溫室效應  　  226
6.7.5　飛行器中氫燃料輸送問題  　  228
6.7.6　氫燃燒器  　  228
6.7.7　氫燃料航空器構型  　  230
6.7.8　航空器的安全問題  　  231
6.8　航空器液氫燃料的存儲  　  232
6.8.1　引言  　  232
6.8.2　儲罐形狀和體積  　  232
6.8.3　絕緣方法和材料  　  233
6.9　氫燃料火箭  　  235
6.9.1　引言  　  235
6.9.2　我國的氫火箭發(fā)動機  　  235
6.9.3　YF-75氫氧發(fā)動機  　  236
6.10　氫燃料的其它應用  　  237
6.10.1　引言  　  237
6.10.2　切割領域  　  237
6.10.3　醫(yī)療制藥領域  　  238
6.10.4　汽車發(fā)動機積碳的清除  　  238
6.10.5　焚燒領域  　  238
6.10.6　脈沖吹灰  　  238
6.10.7　窯爐和鍋爐節(jié)能  　  238
　
7　氫燃料電池技術  　  240
7.1　引言  　  240
7.2　氫燃料電池  　  242
7.2.1　原理  　  242
7.2.2　能量轉換技術的比較  　  243
7.3　氫燃料電池類型、特征、優(yōu)勢及挑戰(zhàn)  　  247
7.3.1　氫燃料電池類型  　  247
7.3.2　氫燃料電池特征  　  247
7.3.3　氫燃料電池的優(yōu)勢  　  247
7.3.4　氫燃料電池面臨的挑戰(zhàn)  　  253
7.4　氫燃料電池主要組件、單元池、池堆和系統(tǒng)  　  255
7.4.1　膜電極裝配體（MEA）  　  255
7.4.2　池堆（電堆）  　  256
7.4.3　氫燃料電池系統(tǒng)  　  257
7.4.4　國內外氫燃料電池性能比較  　  261
7.5　氫燃料電池的便攜式和固定應用  　  262
7.5.1　引言  　  262
7.5.2　便攜式應用和移動裝置應用  　  264
7.5.3　氫燃料電池固定應用  　  265
7.5.4　應急備用電源（EPS）  　  266
7.5.5　遙遠地區(qū)電力供應（RAPS）  　  266
7.5.6　分布式電源和CHP（熱電聯(lián)產）應用  　  267
7.6　氫燃料電池技術在運輸領域中的應用  　  268
7.6.1　引言  　  268
7.6.2　輔助功率單元（APU）  　  269
7.6.3　輕型牽引車輛（LTV）  　  270
7.6.4　輕型燃料電池電動車輛（L-FCEV）  　  271
7.6.5　重型燃料電池電動車輛（H-FCEV）  　  273
7.6.6　中國氫燃料電池車輛  　  275
7.7　燃料電池車輛的發(fā)展狀態(tài)  　  276
7.7.1　美國  　  276
7.7.2　歐盟  　  277
7.7.3　日本  　  277
7.7.4　韓國  　  277
7.7.5　中國  　  277
7.7.6　氫燃料電池車輛成本  　  279
7.8　氫燃料電池航空和船舶應用  　  280
7.8.1　航空推進  　  280
7.8.2　船舶推進  　  281
7.9　氫燃料電池技術現(xiàn)狀和展望  　  283
7.9.1　引言  　  283
7.9.2　氫燃料電池系統(tǒng)耐用性和壽命  　  283
7.9.3　系統(tǒng)啟動時間  　  284
7.9.4　性能降解  　  284
7.9.5　瞬時應答特性和優(yōu)化操作時間  　  284
7.9.6　燃料電池CHP（FC CHP）系統(tǒng)的成本  　  284
7.9.7　未來目標  　  285
7.9.8　中國氫燃料電池發(fā)展目標  　  286
　
8　未來智慧能源網絡與氫能源  　  291
8.1　傳統(tǒng)能源網絡和未來能源網絡  　  291
8.1.1　現(xiàn)時的傳統(tǒng)能源網絡系統(tǒng)  　  291
8.1.2　未來能源網絡系統(tǒng)  　  293
8.1.3　過渡時期的能源網絡系統(tǒng)  　  295
8.1.4　能源網絡系統(tǒng)小結  　  297
8.2　可持續(xù)能源網絡的特征  　  297
8.2.1　智慧電網  　  297
8.2.2　可持續(xù)能源網絡的特色  　  299
8.2.3　智能電網和未來能源網絡系統(tǒng)的基本特征  　  300
8.3　未來能源網絡系統(tǒng)中的運輸部門  　  301
8.3.1　效率  　  302
8.3.2　儲能  　  305
8.3.3　成本  　  306
8.4　氫燃料與可再生能源利用  　  308
8.4.1　氫能源與可持續(xù)能源戰(zhàn)略  　  308
8.4.2　與氫能源的競爭技術  　  309
8.4.3　氫能與電力間的互補作用  　  309
8.4.4　可再生能源利用現(xiàn)狀  　  310
8.5　氫是良好的能量轉換介質  　  311
8.5.1　氫燃料  　  311
8.5.2　氫燃料的電化學轉化——氫燃料電池技術  　  312
8.6　氫能量載體用于儲能  　  312
8.6.1　儲氫儲能系統(tǒng)  　  313
8.6.2　儲氫儲能技術的發(fā)展  　  313
8.6.3　儲氫和燃料電池技術能提高能源的利用效率  　  314
8.7　氫燃料電池在可持續(xù)清潔能源網絡系統(tǒng)中的作用小結  　  315
8.8　未來能源網絡中氫能的區(qū)域性問題  　  315
8.8.1　離岸氫中心（OHC）  　  316
8.8.2　岸邊氫中心（CHC）  　  316
8.8.3　陸地氫中心（IHC）  　  317
8.8.4　自治區(qū)域氫中心（AHC）  　  317
8.8.5　未來能源網絡系統(tǒng)中的氫能源網絡  　  317
8.8.6　屋頂上的發(fā)電裝置  　  318
　
9　可持續(xù)產氫技術  　  319
9.1　引言  　  319
9.2　產氫能源和原料  　  320
9.3　氫化學品、氫能源和氫能量載體  　  322
9.3.1　可再生氫  　  322
9.3.2　產氫工藝分類  　  323
9.4　水電解制氫  　  325
9.4.1　引言  　  325
9.4.2　水電解的原理和優(yōu)點  　  325
9.4.3　可再生能源電力電解水產氫  　  327
9.5　水電解反應器——電解器  　  329
9.5.1　引言  　  329
9.5.2　堿電解池（AEC）  　  331
9.5.3　質子交換膜電解器（聚合物電解池，PEMEC）  　  332
9.5.4　固體氧化物電解池（SOEC）  　  333
9.5.5　無膜電解器  　  335
9.6　熱解和光（電）解水產氫  　  338
9.6.1　熱化學水分解  　  339
9.6.2　光（電）分解水產氫（光電電解池）  　  340
9.6.3　生物光解產氫（光助微生物分解水）  　  341
9.7　生物質熱化學產氫工藝  　  345
9.7.1　引言  　  345
9.7.2　生物質熱解產氫  　  347
9.7.3　生物質氣化產氫  　  347
9.7.4　生物質超臨界水氣化（SCWG）產氫  　  350
9.8　生物質生物化學工藝產氫技術  　  351
9.8.1　生物氫  　  351
9.8.2　暗發(fā)酵  　  352
9.8.3　光發(fā)酵工藝  　  353
9.8.4　微生物電解池  　  354
9.8.5　生物產氫工藝的集成  　  355
9.8.6　生物工藝產氫速率的比較  　  356
9.9　產氫技術比較  　  357
　
10　氫的存儲  　  361
10.1　概述  　  361
10.1.1　儲氫系統(tǒng)的優(yōu)勢  　  362
10.1.2　固定應用部門中的氫能存儲單元  　  363
10.1.3　運輸部門應用的儲能單元  　  363
10.2　儲氫技術概述  　  365
10.2.1　引言  　  365
10.2.2　儲氫技術分類和簡述  　  367
10.2.3　氣體管網儲氫（電力-氫氣工廠）  　  368
10.3　移動應用氫燃料的存儲  　  370
10.4　氣態(tài)氫存儲  　  371
10.4.1　壓縮儲氫原理  　  372
10.4.2　壓縮氫存儲成本  　  373
10.5　液態(tài)氫存儲  　  373
10.5.1　低溫液氫存儲  　  373
10.5.2　液體儲氫  　  374
10.5.3　液體化合物化學儲氫  　  375
10.6　固態(tài)儲氫材料  　  376
10.6.1　引言  　  376
10.6.2　金屬（合金）氫化物  　  378
10.6.3　復合氫化物  　  380
10.6.4　氫化物材料中的納米約束  　  380
10.6.5　碳基儲氫材料  　  381
10.6.6　沸石材料  　  383
10.6.7　金屬有機框架（MOF）  　  383
10.6.8　共價有機骨架（COF）  　  384
10.6.9　微孔金屬配位材料（MMOM）  　  384
10.6.10　螯合水合物  　  385
10.7　固體儲氫材料  　  385
10.7.1　引言  　  385
10.7.2　多孔材料上的物理吸附  　  385
10.7.3　MOF材料的氫吸附熱（反應焓）  　  386
10.7.4　MOF材料中的Kubas鍵合  　  387
10.7.5　離子化方法  　  388
10.7.6　儲氫材料的極化  　  388
10.7.7　儲氫材料的輻射照射（輻照）  　  389
10.7.8　誘導氫溢流  　  389
10.8　儲氫技術的比較和小結  　  390
10.9　儲氫固體材料的集成加工  　  393
10.9.1　粉體成型技術  　  393
10.9.2　電紡技術  　  394
　
11　氫的運輸配送分布和安全  　  396
11.1　引言  　  396
11.2　氫的運輸配送分布方法  　  397
11.2.1　氫運輸配送方法分類  　  397
11.2.2　運氫技術參數(shù)和運輸成本的比較  　  399
11.3　配送氫的公用基礎設施  　  401
11.3.1　氫分布網絡  　  401
11.3.2　已建成的氫氣管線網絡  　  402
11.3.3　現(xiàn)有氣體管道網絡輸送氫氣  　  403
11.4　充氫基礎設施——充氫站  　  404
11.4.1?、裥图託湔荆和獠抗? 　  404
11.4.2?、蛐图託湔荆赫緝仍划a氫  　  406
11.5　加氫站建設現(xiàn)狀   　  406
11.5.1　引言  　  406
11.5.2　南北美洲加氫站  　  408
11.5.3　歐洲加氫站  　  410
11.5.4　亞洲加氫站  　  412
11.5.5　中國加氫站  　  414
11.5.6　小結  　  415
11.6　氫燃料的安全性  　  416
11.6.1　引言  　  416
11.6.2　氫和常用燃料安全性比較  　  417
11.6.3　安全使用氫氣規(guī)范  　  419
11.7　氫燃料在不同領域的安全性  　  419
11.7.1　氫燃料的有害性  　  419
11.7.2　低引發(fā)能量  　  419
11.7.3　氫燃料運輸中的安全性  　  419
11.7.4　儲氫安全性  　  420
11.7.5　移動應用氫燃料的安全性  　  420
11.7.6　氫安全編碼和標準  　  421
11.7.7　檢測氫的傳感器  　  422
　
參考文獻  　  424
　
附錄  　  436