氢能与燃料电池

化石能源在人类的工业化进程中占据了非常重要的地位。然而它们都是一次能源，储量有限，在开采和使用过程中，它们带来了环境污染和温室效应问题；此外，为争夺化石能源还容易引发区域战争，引起社会动荡。在“碳达峰”、“碳中和”的双碳目标下，积极发展可再生能源是必由之路。氢能是重要的可再生能源之一，其储量丰富，宇宙中75%质量分数的物质由氢组成，而地球70%以上被水（氢的主要来源之一）覆盖，各个国家和地区不必因为争夺氢资源引发动乱；氢能是真正的清洁能源，不管通过何种方式使用，都不会产生任何碳排放，也不会产生温室效应；氢能是安全的能源，在空气中扩散能力强，一旦发生氢泄露或燃烧，会快速垂直上升到空气中并扩散开来。

世界各国都在大力发展氢能，例如美国燃料电池和氢能源协会（FCHEA）发布了《美国氢经济路线图》并提出，到2050年，氢能将占据美国能源需求的14%；日本发布了“氢能源基本战略”，主要目标包括2030年实现氢能源发电商用化，以削减碳排放并提高能源自给率。我国从“七五”即开启了氢能研发，特别是自 2010 年以来，密集出台了一系列氢能相关的政策措施，彰显出国家发展氢经济的决心。例如，2012 年国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020 年）》，明确提出“氢燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展”的战略。此后，各省市积极响应号召，纷纷出台了适合于本地氢能发展的政策，积极推动氢经济的健康发展。

本书从氢能研发背景出发，涉及氢的发展历史、氢的物理和化学性质、五种典型的制氢技术（碳氢化合物制氢、电解水制氢等）、六类典型的储氢技术（高压气瓶储氢、液态氢储存、固体材料储氢等）、氢的典型应用（氢燃料电池车、固定式和移动式燃料电池发电等）以及碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池五类典型的燃料电池技术，既阐述了氢能基础理论知识，也涵盖了氢能与燃料电池相关工程应用技术。

本教材编撰于国际国内氢能市场方兴未艾的大背景下，可供新能源材料与器件、储能科学与工程、材料科学与工程、化学工程、热能与动力工程、建筑与环境工程及其他相关行业领域的本科和研究生教学使用，也可以作为氢能行业人员的入门参考书。

本教材共11章，第1章概述，主要介绍氢能发展的背景和历史。第2章主要介绍氢的各种重要的物理化学性质。第3章主要介绍五种典型的制氢方法和技术。第4章主要介绍六类典型的储氢方法和技术，以及材料储氢性能测评方法。第5章主要介绍氢能典型的应用案例。第6章为燃料电池概述，主要介绍燃料电池的结构、关键材料与部件、工作原理及特点等。第7章主要介绍碱性燃料电池的结构、工作原理及特点。第8章主要介绍磷酸燃料电池的结构、工作原理及特点。第9章主要介绍质子交换膜燃料电池的结构、工作原理及特点。第10章主要介绍熔融碳酸盐燃料电池的结构、工作原理及特点。第11章主要介绍固体氧化物燃料电池的结构、工作原理及特点。本教材第1章由王倩副研究员编写，第2～5章由吴朝玲教授编写，第6～11章由王刚副教授编写，后由吴朝玲教授统稿。三位编写者都是四川大学材料科学与工程学院一线教师和科研人员。

在此感谢高等学校材料类专业教学指导委员会的指导。在本教材编撰过程中，北京大学李星国教授、中国矿业大学王绍荣研究员、四川大学陈云贵教授给出了宝贵的建议和意见，在此衷心感谢。

在本教材的编撰过程中，编者尽量收集国内外相关的文献资料，力求准确有效，即便如此，编者仍感水平有限，书中难免有不妥之处，敬请谅解并批评斧正。

本教材与中国大学MOOC网同名课程《氢能与燃料电池》配套，相关章节的教学视频、在线题库、配套彩色图片等电子资料可通过扫描二维码使用。

吴朝玲

2022年3月

《氢能与燃料电池》主要内容包括氢能研发背景、氢的发展历史、氢的物理化学性质、五种典型的制氢技术（含碳氢化合物制氢、电解水制氢等）、六类典型的储氢技术（含高压气瓶储氢、液态氢储存、固体材料储氢等）、氢的典型应用（含氢燃料电池车、固定式和移动式燃料电池发电等）以及碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池五类典型的燃料电池技术。本教材与中国大学MOOC网同名课程“氢能科学与工程”配套，相关章节的视频、在线题库、配套彩图可通过扫描二维码使用。《氢能与燃料电池》可供新能源材料与器件、储能科学与工程、新能源科学与工程、材料科学与工程、化学工程、热能与动力工程、建筑与环境工程及其他相关行业专业的本科和研究生教学使用，也可以作为氢能行业人员的入门参考书。

《氢能与燃料电池》主要内容包括氢能研发背景、氢的发展历史、氢的物理化学性质、五种典型的制氢技术（含碳氢化合物制氢、电解水制氢等）、六类典型的储氢技术（含高压气瓶储氢、液态氢储存、固体材料储氢等）、氢的典型应用（含氢燃料电池车、固定式和移动式燃料电池发电等）以及碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池五类典型的燃料电池技术。本教材与中国大学MOOC网同名课程“氢能科学与工程”配套，相关章节的视频、在线题库、配套彩图可通过扫描二维码使用。《氢能与燃料电池》可供新能源材料与器件、储能科学与工程、新能源科学与工程、材料科学与工程、化学工程、热能与动力工程、建筑与环境工程及其他相关行业专业的本科和研究生教学使用，也可以作为氢能行业人员的入门参考书。

吴朝玲，四川大学材料科学与工程学院，教授 博导；中国可再生能源学会氢能专业委员会委员；中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员；中国氢能协会会员；成都市机械工程学会会员；四川省清洁汽车协会会员。科研背景作者自2000年开始从事镍氢电池负极材料(储氢合金)开发，做为主研人员参与无钕稀土低温贮氢合金电极材料及宽温区镍氢电池的研究工作，全程参与该项目的技术转让、企业建设等工作，并受聘为四川宝生新能源材料有限公司总工。作者自2004年开始从事钒钛基储氢合金及储氢系统开发，主持了国家自然科学基金、国家重点研究计划、留学回国人员科研启动基金项目、四川省国际合作项目和攀枝花市科技项目等20余项。做为副组长和主研人员参与了国家863、四川省科技支撑、攀枝花市重点科技项目10余项。首次提出了V-Ti-Cr-Fe四元合金体系，成分优化后的合金室温放氢量超过2.5wt%，80℃放氢量超过3.0wt%。项目具有自主知识产权，且受到国内外同行认可，2008年日本NEDO年度报告中做了详细评述，2014年著者受邀在国际氢化物会议上做了特邀报告。项目正在执行成果转化。作者自2008年开始启动直接水解制氢材料及相关技术的研发，先后开发了Mg-Al系、NaBH4系和Mg-Ca系、Si-Fe系水解制氢复合材料及其应用技术，并具有自主知识产权。作者主持和深入参与了863项目固体氧化物燃料电池连接板的研发，积累了丰富的经验。发表学术论文130余篇，H-index16,被引超过820次，申请和授权专利近10项，获市级科技奖励2次，获ScienceFather授予的Best Research Award。教学背景作者任教17年，热爱并全心投入教学工作。负责并完成校级《氢能技术》全英语授课品牌课程建设（2015）并运行至今；负责MOOC《氢能与燃料电池》的建设，于2019年12月上线；主讲11门本科和研究生课程；负责新能源与低碳技术创新班运行；负责新能源本科实习基地建设。把学术前沿、市场和研究成果与课堂有机结合，指导学生参加大创项目、参加全国性的创新创业竞赛，获互联网 国铜、挑战杯省金奖（优秀指导教师）等。获“四川大学五粮春青年教师优秀教学奖”，获四川大学“探究式-小班化”教学竞赛二等奖和教学示范教师称号；获全英语授课教学质量优秀奖；获四川大学优秀实习指导教师二等奖，多次获“大学生课外科技实践活动优秀指导教师”和“博赛奖教金”。

第1章概述

1.1氢的发展历史  1

1.1.1氢发展史大事年表  1

1.1.2兴登堡号和挑战者号空难  5

1.2氢能发展趋势  6

习题  8

参考文献  8

第2章氢的物理化学性质

2.1氢的丰度及同位素  9

2.1.1氢的丰度  9

2.1.2氢的同位素  10

2.2与氢分子相关的几个基本术语  11

2.2.1单重态与三重态  11

2.2.2正氢和仲氢  11

2.3氢气的物理性质  13

2.3.1氢的平衡相图  13

2.3.2氢气的状态方程  14

2.3.3焦耳-汤姆孙效应  15

2.3.4反转曲线  17

2.4氢的扩散及化学性质  17

2.4.1氢的扩散  17

2.4.2氢的化学性质  18

2.5氢气与固体表面的相互作用  26

2.5.1固体的表面效应  26

2.5.2氢与固体间的表面效应  26

2.5.3氢脆  27

2.6氢的四种化学态  28

2.6.1简介  28

2.6.2四种化学态的氢相互转化和应用  29

2.6.3分子氢  30

2.6.4质子  31

2.6.5原子氢  31

2.6.6氢负离子  32

2.6.7氢化物应用的新领域  32

2.6.8Mg颗粒外表的氢负离子  33

2.7氢化物的表面工程  34

2.7.1氢化物的各种表面相互作用  34

2.7.2表面特性的重要性  35

2.7.3表面特性的改善措施  36

2.8本章结语  37

习题  37

参考文献  38

第3章制氢技术

3.1碳氢化合物制氢  39

3.1.1化石燃料制氢的物理化学基础  39

3.1.2天然气重整制氢  41

3.1.3煤制氢技术  44

3.1.4生物质重整制氢技术  46

3.2电解水制氢技术  47

3.2.1电解水制氢原理  47

3.2.2碱性电解水制氢技术  48

3.2.3固体聚合物电解水制氢技术  51

3.2.4固体氧化物电解水制氢技术  52

3.2.5利用可再生能源的电解水制氢  52

3.2.6总结与展望  53

3.3水的热化学制氢  53

3.3.1热化学制氢的工作原理  54

3.3.2热化学制氢的优缺点  56

3.4水的光催化制氢和光电化学制氢  56

3.4.1光催化制氢  57

3.4.2光电化学制氢  57

3.4.3光催化制氢和光电化学制氢的区别  58

3.4.4光电化学制氢的优缺点  58

3.5生物质能制氢  59

3.5.1生物质生化发酵制氢  60

3.5.2生物质热化学转化制氢  62

3.5.3生物质制乙醇 乙醇制氢  63

3.6本章结语  64

习题  65

参考文献  65

第4章储氢技术

4.1分子态储氢技术  66

4.1.1高压气瓶储氢  68

4.1.2氢气压缩  70

4.1.3液态氢储存  72

4.1.4高压储氢与液氢储存对比  75

4.2吸附储氢技术  76

4.2.1吸附现象  76

4.2.2物理吸附  77

4.2.3化学吸附  78

4.2.4吸附储氢材料  80

4.2.5小结  83

4.3金属氢化物储氢技术  84

4.3.1储氢合金的组成  84

4.3.2储氢合金的储氢原理  85

4.3.3小结  87

4.4过渡金属配位氢化物  87

4.5非过渡金属配位氢化物  88

4.5.1金属硼氢化物的结构  88

4.5.2复杂氢化物的稳定性  88

4.5.3金属硼氢化物的脱氢机理  89

4.5.4金属铝氢化物的脱氢过程  90

4.5.5小结  91

4.6制氢-储氢一体化技术  92

4.6.1硼氢化钠的研发历史  92

4.6.2硼氢化钠的水解制氢原理  93

4.6.3硼氢化钠水解制氢-储氢一体化装置  93

4.6.4NaBH4的生产和再生  94

4.6.5NaBH4水解制氢应用中的几个问题  96

4.7其他储氢技术  96

4.7.1金属N-H体系储氢材料  96

4.7.2有机液态储氢  96

4.7.3氨和氨基化合物储氢  97

4.8材料储氢性能的分析测试技术  98

4.8.1体积法  西韦特法(Sievert’s)  98

4.8.2热脱附谱法  98

4.8.3热重法  98

4.8.4电化学法  99

4.9储氢技术发展趋势  99

4.10本章结语  99

习题  100

参考文献  101

第5章氢的典型应用

5.1氢经济的实现路线  102

5.2氢燃料电池车  103

5.3固定式燃料电池发电  103

5.4移动式燃料电池发电  104

5.4.1基于水解制氢的移动式燃料电池电源  105

5.4.2基于可逆气固储氢的燃料电池充电宝  105

5.5电解水储能  106

5.6氢内燃机汽车  107

5.7氢燃料电池船舶  108

5.8镍氢电池及混合动力车  108

5.9几种与氢相关的功能器件  109

5.9.1调光镜  109

5.9.2金属氢化物热泵  110

5.9.3金属氢化物传感器  110

5.9.4金属氢化物控制器  110

习题  110

参考文献  111

第6章燃料电池概述

6.1燃料电池的诞生  112

6.2燃料电池的结构组成  114

6.2.1燃料电池系统的部件及功能  114

6.2.2单电池—电堆—电池系统  115

6.2.3国内外电堆技术发展现状  116

6.2.4国内外典型的燃料电池系统  118

6.3燃料电池的关键材料和部件  119

6.3.1燃料电池的关键材料  120

6.3.2燃料电池的关键部件  126

6.3.3燃料电池关键材料和部件的降解机制  137

6.3.4我国燃料电池技术发展目标及重点任务  137

6.4燃料电池的工作原理  138

6.5燃料电池的特点  140

6.6燃料电池的分类和应用  142

6.7燃料电池的发展历程  144

6.7.1国内外燃料电池的发展现状  145

6.7.2日本的燃料电池发展现状及规划  147

习题  150

参考文献  151

第7章碱性燃料电池

7.1碱性燃料电池的结构及工作原理  152

7.2碱性燃料电池的特点  154

7.3碱性燃料电池的发展现状  155

习题  156

参考文献  156

第8章磷酸燃料电池

8.1磷酸燃料电池的结构及工作原理  157

8.2磷酸燃料电池的特点  158

8.3磷酸燃料电池的发展现状  160

习题  162

参考文献  162

第9章质子交换膜燃料电池

9.1质子交换膜燃料电池的结构及工作原理  163

9.2质子交换膜燃料电池的特点  165

9.3质子交换膜燃料电池的发展现状  166

习题  169

参考文献  169

第10章熔融碳酸盐燃料电池

10.1熔融碳酸盐燃料电池的结构及工作原理  170

10.2熔融碳酸盐燃料电池的特点  171

10.3熔融碳酸盐燃料电池的发展现状  172

习题  173

参考文献  173

第11章固体氧化物燃料电池

11.1固体氧化物燃料电池的结构及工作原理  174

11.2固体氧化物燃料电池的特点  176

11.2.1固体氧化物燃料电池的优缺点  176

11.2.2固体氧化物燃料电池的分类  177

11.3固体氧化物燃料电池的发展现状  179

习题  183

参考文献  183

附录实验指导

实验1氢循环利用演示实验  184

实验2电解池阴极制氢反应催化电极催化性能测试  185

实验3储氢材料吸氢动力学性能及放氢PCT曲线的测试  187

实验4质子交换膜燃料电池单电池的组装及测试  189

《氢能与燃料电池》主要内容包括氢能研发背景、氢的发展历史、氢的物理化学性质、五种典型的制氢技术（含碳氢化合物制氢、电解水制氢等）、六类典型的储氢技术（含高压气瓶储氢、液态氢储存、固体材料储