第1章氢能特征与氢经济
　　1.1氢与氢能
　　1.1.1氢的基本特性
　　氢是宇宙中分布*广的元素，原子序数为1，元素记号是H，有同位素氘(D)和氚(T)。氢通常采用2个原子结合在一起称为氢分子，化学式为H2，分子量为2.01588，常温常压下，无色、无味、无臭、极易燃烧、是地球上*轻的气体。氢在地球上几乎不会以氢分子的状态存在，主要以化合态存在于化合物中，如水、石油、煤、天然气以及各种生物的组成中。自然界中，水含有约11％重量的氢，泥土中含有约1.5％，100公里高空的主要成分也是氢气，但是大气层的含量却很低，仅有约1ppm(体积比)[。氢气的基本物理特征如下所示(图1.1)。
　　(1)宇宙中*丰富的元素。在质量方面，约占整个宇宙的70％(与太阳类似，宇宙中的星星大部分都因氢的核聚变反应而发光)。
　　(2)氢单体在自然界几乎不存在，在地球上作为化合物存在(水、化石燃料、有机化合物等)。
　　(3)无色、无味、无臭的气体。
　　(4)*轻的气体(相对于空气的比重为0.0695)，扩散速度快。
　　(5)即使燃烧也很难看到火焰。
　　(6)燃烧后会和氧气反应生成水。
　　(7)在.253℃液化。
　　图1.1氢气的基本物理特征
　　我国现行《氢气》国家标准经国家市场监督管理总局批准发布并于1996年8月1日开始实施，定义纯度99.99％以下的氢气为工业氢，大于或等于99.99％的纯氢，大于或等于99.999％的为高纯氢，大于或等于99.9999％的为超纯氢，工业氢标准见表1.1，纯氢、高纯氢和超纯氢质量技术指标见表1.2。
　　1.1.2氢气的能量
　　氢能是氢分子和氧分子反应生成水时放出的能量，准确地说应该是水相对于氢气和氧气的能量。因为大气中有大量的氧气，可以不在意氧气，而只关注氢气，并把氢气和氧气反应释放的能量称为氢能。1mol的氢气能量即是1mol的H2与1/2mol的O2所具有的能量与1mol的H2O(液体)具有的能量差。标准状态下(1atm，25℃)，标准焓变是-285.830kJ，标准自由能的变化是-237.183kJ。焓变是全部能量的变化，自由能的变化是从焓变中可以取出来的能量，可以通过电池的方式作为电能取出来。没能以电能的形式取出的部分则是以热的形式释放出来，如图1.2所示。
　　气体的燃烧发热值分为两种：一种是高热值(high heating value，HHV)，即单位燃烧气体完全燃烧后，其燃气被冷却到初始温度，其中水蒸气以凝结水的状态排出时，所释放的全部热量，即燃料完全燃烧，且燃烧产物的水蒸气凝结为水时的反应热；另一种是低热值(lower heating value，LHV)，即单位燃料气体完全燃烧后，其燃气被冷却到初始温度，其中的水蒸气以蒸汽的状态排出时，所释放的全部热量，即燃料完全燃烧，燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时的反应热。低位发热量等于高位发热量(高热值)减去水蒸发和燃料燃烧时加热物质所需要的热量，即由总热量减去冷凝热的差数。
　　图1.3是氢气与几种主要燃料的热值比较，氢气的重量能量密度要比其他燃料高很多，体积能量密度相对比较小。
　　表1.3～表1.5是氢气与其他一些主要燃料的性质比较。氢能是一种高密度能源储存载体，具有很大的储能容量。能源的储存非常重要，可以有多种储存的方式。一次能源以及可再生能源可以转变成化学能，以一种物质的形式储存。经过比较分析，转变成氢气是一种*佳的选择。同时氢气密度小、扩散能力强、导热系数大、易燃易爆。
　　氢是多用途的。如今已有的技术使氢能够以不同的方式生产、储存、移动和使用能源。各种各样的燃料能够产生氢气，包括可再生能源、核能、天然气、煤炭和石油。它可以通过管道以气体的形式运输，也可以通过船舶以液体的形式运输，就像液化天然气(LNG)一样。它可以转化为电力和甲烷，为家庭和实体工业提供动力，也可以转化为汽车、卡车、轮船和飞机的燃料。
　　氢能够为可再生能源实现能源转换，成为可再生能源的一种能源载体。太阳能光伏(PV)和风能的发电量并不是总与负载很好地匹配，氢能是储存这些可再生能源的主要选择之一，而且储存的时间可以是数天、数周甚至数月，其成本也是*低的。通过氢或含氢燃料可以实现可再生能源的远距离输运，如可从澳大利亚或拉丁美洲等太阳能和风能资源丰富的地区将能源输送到数千公里以外的能源匮乏城市。
　　氢能可以节省能源、降低环境负荷。燃料电池是从作为燃料的氢和空气中的氧的电化学反应中直接取出电能，所以发电效率很高。另外，通过有效利用电和热两方面，能够进一步提高总能源效率(图1.4)。因此，扩大燃料电池的活用，可以大幅度地节省能源。
　　此外，如图1.5所示，氢气制备方法多，应用面广，与其他能源相比，具有很强的灵活性。
　　1.1.3与液态燃料的比较
　　许多碳氢化合物可以由氢和碳合成，满足流动性标准的一些碳氢化合物如表1.6所示。但是，考虑到制造、安全、燃烧等因素，则会从列表中删除一些或添加新的选项。
　　与液态或高压(80MPa)气态氢相比，这些化合物的体积能量密度是它们的2～4倍。其中，氨、甲醇、乙醇、二甲醚和甲苯的分子结构相对简单，而辛烷是*佳的氢载体，单位体积能量含量也位居第三。
　　尽管氨每立方米含有106kg的氢，但是它有毒性。无论是输送能源还是氢气，*好的方法是将氢与碳结合，制成液体燃料。与甲醇和乙醇相比，辛烷更难合成(例如通过费托法合成)，也难以转化成氢气用于燃料电池。二甲醚(DME)具有良好的特性，但比醇类通用性差。

目录　
第1章　氢能特征与氢经济　1　
1.1　氢与氢能　1　
1.1.1　氢的基本特性　1　
1.1.2　氢气的能量　2　
1.1.3　与液态燃料的比较　6　
1.1.4　氢能与环境　7　
1.1.5　灰氢、青氢、蓝氢和绿氢　9　
1.1.6　氢能源市场　10　
1.1.7　氢能源路线图　13　
1.2　各国能源消耗及特点　15　
1.2.1　能源需求增长　15　
1.2.2　能源消耗结构　15　
1.2.3　我国的能源消耗特点和问题　17　
1.3　氢能的特点和利用形式　20　
1.3.1　能源发展趋势　20　
1.3.2　氢能的四大特点　22　
1.4　氢气的供给　24　
1.4.1　氢气的生产　24　
1.4.2　各种制氢方法和成本　26　
1.4.3　氢源选择的“四要素”　28　
1.4.4　氢与电的相关性　29　
1.5　氢能的利用形式　30　
1.5.1　氢气的传统用途　30　
1.5.2　氢能源利用形式和体系　31　
1.5.3　现在氢能应用开发动态和主要的问题　34　
1.6　可再生能源与氢能源　38　
1.6.1　可再生能源及其制氢　38　
1.6.2　生物质能　40　
1.7　氢能源社会的发展与各国的动态　42　
1.7.1　美国和加拿大氢能源经济的发展动态　43　
1.7.2　欧洲氢能源经济的发展动态　46　
1.7.3　日本氢能源经济的发展动态　46　
1.7.4　澳大利亚氢能开发　49
1.7.5　韩国氢能源开发　51　
1.7.6　我国氢能源开发和利用　51　
参考文献　53　
第2章　氢的基本性质　55　
2.1　氢的形成、存在和发现　55　
2.2　氢原子　56　
2.3　氢的同位素　57　
2.4　氢气　58　
2.4.1　H2的分子结构　58　
2.4.2　氢气的核自旋异构体　59　
2.4.3　氢气的物理性质　60　
2.4.4　液态和固态氢　63　
2.4.5　金属氢　64　
2.5　氢的核聚变反应　65　
2.5.1　核聚变反应的原理　65　
2.5.2　人工核聚变反应　66　
2.5.3　人工核聚变装置　68　
2.5.4　人工核聚变工程　71　
2.6　氢的化学性质　72　
2.6.1　氢原子的电子结构和成键特征　72　
2.6.2　氢与非金属的反应　73　
2.6.3　氢与金属的反应　74　
2.6.4　氢在冶金中的应用　74　
2.6.5　氢与过渡金属的配位反应　74　
2.6.6　氢在石油化工中的应用　75　
2.7　氢化物　76　
2.7.1　概述　76　
2.7.2　金属氢化物　77　
2.7.3　主族元素与氢的共价型化合物　78　
2.7.4　配位氢化物　79　
2.7.5　高压氢化物相　80　
2.8　氢化物的研究方法　80　
2.8.1　压力–成分等温线　80　
2.8.2　热分析　82　
2.8.3　核磁共振　82　
2.8.4　红外光谱　83　
2.8.5　中子衍射　84
参考文献　84　
第3章　氢气制备　86　
3.1　化石燃料制氢　88　
3.1.1　煤炭制氢　89　
3.1.2　天然气制氢　90　
3.2　高温分解制氢　93　
3.2.1　甲醇裂解制氢　93　
3.2.2　工业副产氢　95　
3.2.3　氨分解制氢　95　
3.3　电解水制氢　99　
3.3.1　电解水制氢原理　99　
3.3.2　电解水制氢现状　99　
3.4　核电制氢　106　
3.5　生物质制氢　107　
3.5.1　光合生物制氢　107　
3.5.2　生物发酵制氢　111　
3.6　光催化制氢　114　
3.6.1　太阳能热化学制氢　115　
3.6.2　太阳能光电化学制氢　115　
3.6.3　光解水制氢　115　
3.7　小结　123　
参考文献　124　
第4章　氢分离和提纯　128　
4.1　变压吸附提纯氢气　129　
4.1.1　变压吸附技术的基本原理　130　
4.1.2　吸附床的吸附穿透曲线　132　
4.1.3　变压吸附的基本操作　132　
4.1.4　变压吸附的吸附剂　133　
4.2　膜分离　134　
4.2.1　膜分离的机理　135　
4.2.2　多孔膜材料　137　
4.2.3　有机高分子膜　139　
4.2.4　透氢金属膜　140　
4.3　Benfield法　146　
4.4　深冷分离　148　
4.4.1　冷凝法　148　
4.4.2　膨胀机法　149　
4.5　重氢的分离　149
4.5.1　氢同位素的特性　149　
4.5.2　重氢的核聚变反应　150　
4.5.3　重氢提纯回收　151　
4.5.4　氢同位素的分离浓缩　156　
参考文献　162　
第5章　高压储氢　165　
5.1　高压氢气的压缩　165　
5.1.1　氢气的压缩因子和压缩后的密度　165　
5.1.2　氢气压缩后的氢原子间距　166　
5.1.3　氢气压缩机　167　
5.1.4　氢气的压缩功耗　169　
5.2　氢气的加注　171　
5.2.1　氢气加注的方法　171　
5.2.2　氢气加注过程中温度的变化　172　
5.2.3　氢气加注机的市场应用　173　
5.3　高压储氢容器　174　
5.3.1　高压储氢容器的发展　174　
5.3.2　轻质高压储氢容器的设计和制备　177　
5.4　高压储氢的风险和控制　180　
5.4.1　高压储氢的使用风险　180　
5.4.2　高压储氢的风险评估　181　
5.4.3　高压储氢使用的标准　181　
5.4.4　高压储氢使用的安全检测　182　
5.4.5　高压储氢的风险控制　183　
5.5　高压储氢的应用　184　
5.5.1　运输用大型高压氢气容器　184　
5.5.2　蓄气站大型高压氢气容器　185　
5.5.3　燃料电池车用高压储氢　186　
5.5.4　小型高压储氢罐的应用　188　
5.5.5　高压管道供氢　189　
参考文献　190　
第6章　液态储氢及应用　191　
6.1　液态氢气的生产　191　
6.2　液态氢的储存　196　
6.2.1　液氢设备的绝热材料　196　
6.2.2　液氢储罐　197　
6.3　液氢的输运　200　
6.3.1　常温容器加注液氢的冷却特性　200
6.3.2　液氢的输送方式　201　
6.3.3　液氢储藏型加氢站　203　
6.4　液氢的应用　205　
6.4.1　液氢在航空航天领域的应用　205　
6.4.2　液氢在汽车领域的应用　207　
6.4.3　液氢的其他应用　209　
参考文献　210　
第7章　液态有机氢载体储氢　212　
7.1　液态有机氢载体概述　212　
7.2　小分子醇醛胺酸型液态有机氢载体　215　
7.2.1　甲酸　215　
7.2.2　其他小分子醇醛胺酸型液态有机氢载体　219　
7.3　芳香化合物型液态有机氢载体　223　
7.3.1　芳香烃　223　
7.3.2　氮杂环芳香烃　227　
7.3.3　硼氮杂环芳香烃　236　
参考文献　237　
第8章　物理吸附储氢材料　245　
8.1　气体吸附原理及物理储氢的特点　245　
8.1.1　吸附等温线的类型　246　
8.1.2　吸附等温方程　247　
8.2　碳材料的发展及储氢性能　249　
8.2.1　活性炭　249　
8.2.2　碳纳米管及石墨烯　249　
8.2.3　生物质衍生碳材料　250　
8.2.4　碳材料的开发与研究前景　251　
8.3　金属有机骨架材料的储氢性能　251　
8.3.1　研究现状　251　
8.3.2　与氢气作用机理　253　
8.3.3　储氢性能的影响因素和发展方向　254　
8.4　多孔高分子的储氢性能　256　
8.4.1　共价有机骨架材料　256　
8.4.2　共轭微孔高分子材料　256　
8.4.3　多孔高分子材料的研究前景　258　
8.5　三种物理吸附材料的比较　258　
8.5.1　孔道结构　258　
8.5.2　吸附位点　258　
8.5.3　储氢容量　259
参考文献　259　
第9章　储氢合金和金属氢化物　263　
9.1　储氢合金的工作原理和设计　263　
9.1.1　储氢合金简介　263　
9.1.2　储氢合金的历史发展及现状　263　
9.1.3　储氢合金的工作原理　265　
9.1.4　储氢合金的设计与评价　270　
9.2　稀土储氢材料　273　
9.2.1　LaNi5基AB5型储氢材料　273　
9.2.2　非AB5型新型稀土储氢合金　276　
9.3　Mg和MgH2基储氢材料　279　
9.3.1　Mg单质储氢材料　279　
9.3.2　Mg-M(M=Ni，Co，Fe等)体系储氢材料　282　
9.4　Ca基储氢材料　284　
9.5　Ti基合金储氢材料　288　
9.5.1　Ti基二元合金体系　290　
9.5.2　Ti-Cr-Mn基三元合金体系　292　
9.5.3　Ti-V-Mn基三元合金体系　299　
9.6　V基体心立方固溶体合金储氢材料　301　
9.6.1　V-Ti-Fe合金体系　304　
9.6.2　V-Ti-Ni合金体系　305　
9.6.3　V-Ti-Cr合金体系　306　
9.7　Zr基合金储氢材料　308　
9.7.1　Zr-V基合金体系　310　
9.7.2　Zr-Cr基合金体系　311　
9.7.3　Zr-Mn基合金体系　311　
9.8　Pd基固溶体储氢材料　311　
9.9　低维材料储氢材料性能　313　
9.9.1　纳米颗粒储氢理论计算　313　
9.9.2　尺寸效应　314　
9.9.3　薄膜材料的储氢研究　315　
9.9.4　薄膜的氢致光变特性　316　
9.9.5　氢致光变特性材料的应用　321　
参考文献　323　
第10章　无机非金属储氢材料　330　
10.1　引言　330　
10.2　无机非金属氢化物　331　
10.2.1　基本特征　331
10.2.2　电子结构和成键特性　332　
10.2.3　吸放氢反应机理　334　
10.3　金属铝氢(Al-H)化物　335　
10.3.1　合成方法　335　
10.3.2　晶体结构　336　
10.3.3　吸放氢性能　338　
10.3.4　吸放氢性能改善与系统开发　342　
10.4　金属氮氢(N-H)化物　345　
10.4.1　合成方法　345　<