本书由德国氢能与燃料电池协会组织编写，内容包括作为战略性二次能量载体的氢，氢在电力系统大规模储能中的作用，氢的应用安全性，移动式应用，氢和燃料电池在航空中的移动式应用，住宅能量供应中的燃料电池，备用电源，与安全相关的应用，便携式燃料电池，常规、低碳、绿色的氢的工业化生产和应用，电解方法，大型电解系统的发展：需求和方法，在基于可再生能源的供应系统中提供氢的成本，聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）的现状和观点，盐穴储氢，氢从电力到X（Power-to-X）的关键元素。本书适合氢能与燃料电池行业的从业人员阅读使用，也适合高等院校能源相关专业的师生阅读参考。
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德国氢能与燃料电池协会组织，德国氢能与燃料电池理论与应用的总结
体现了能源转型而非仅仅局限于电力转型的理念
自20世纪70年代以来，公众一直在讨论基于使用可再生能源的可持续能源供应，以替代在此之前几乎占有全部份额的化石能量载体。这些考虑的出发点是基于当时的原油危机、采购和运输问题（如苏伊士运河危机）所引发的化石资源有限性意识的提高。
此外，罗马俱乐部（Club of Rome）的报告让人们注意到化石能量载体对环境的破坏，其中CO2排放导致的气候变化首当其冲。即使由于发现了新的（大多是更复杂、更容易获得的）矿床，化石资源的供应在此期间得到了缓解，关于化石资源有限性的基本观点仍然是正确的。由于世界人口不断增长，越来越多的群体参与到能源繁荣中，导致能源问题变得越来越严重。此外，研究表明，消耗化石能量载体时的CO2排放所造成的经济损失要比当今的气候保护更为昂贵。
原则上，解决这一问题的方法就是利用可再生能源。然而，至少对于风能和太阳能来说，其供应会受到相当大的时间上和统计学上波动的影响，并且很难按需求提供。只有大规模存储才能弥补这种不连续性，因为它必须能够在数天甚至数周内平衡能量。更好的电网扩展虽然可以为局部的（但不是时间的）补偿做出贡献，但已经表明，在德国，即使是将风电从北向南引入，电网扩展也是困难的。将电网扩展到整个欧洲将更加困难。
在德国，已有通过抽水蓄能电站和通过压缩空气蓄能电站实现大规模电力存储的应用，这两种方案存储了势能。只有通过使用化学能载体，才能在存储设施内以更高的能量密度在更长的时间内进行大规模存储。随着燃料电池的使用，氢在电能再转换方面可以提供高效率。
自从德国政府推动能源转型以来，所有这些讨论都大大加剧了。能源转型不应理解为仅仅是电力转型，而应理解为所有能量的形式，包括电力、热力和燃料的再生。未来，能量的利用将越来越网络化，例如通过热电耦合，将一个转换流程覆盖多个领域。其中，氢在这里将发挥核心作用，因为它可以通过多种方式从所有可再生的能源中生产，然后以不同方式存储并零排放地直接转化为电能，此外，还可以转化为动能和热能。除了这种多样性，也考虑到了使用氢的成本。氢很少需要季节性的存储，并且相对昂贵，但由于它同时也可用作交通运输、生产过程等的燃料，以及在化工和食品工业中作为原料，用于家庭能量供给和应急电源供给以及为电网提供调节功率，可以预见其经济用途非常广泛。所有这一切都需要连续生产，即大规模电解，电解应使用来自可再生能源的电力并根据供应的波动以可扩展的方式运行。就此而言，未来的能源系统将比传统的能源系统更加复杂，但也应创造条件，将生产者和消费者联网，作为普遍节能的基础。
在此背景下，值得注意的是，当有足够可用的可再生能源用于发电，当将氢用作所产生的电力的存储介质，当氢用于再转化或以物质形式分配时，则可以影响到国民经济价值链中的所有环节。
其中，电网和燃气管网之间的相互作用尤为重要。燃气管网能够吸收、运输和存储大量的能量。氢可以掺入天然气中，但它只能用作产生热能。为了可以高效率地使用，例如作为远程运输的电动汽车的燃料，则需要纯氢，对此，本书第4章将做详细介绍。氢的一些其他应用，例如在安全相关的系统中燃料电池的缺氧使用，将在后面的章节中讨论。
并非所有使用方法或其中所需要的设备都处于同一发展水平。有些已经准备好进行批量生产或已经市场化，例如燃料电池电动汽车、零排放和不间断电源以及家用供暖系统，其他的系统正进行现场试验。在第2版中，这些与应用相关的章节已更新，以反映新的技术状态。
随着技术进一步的发展，协同效应如同氢基础设施的改善一样值得期待。
对于氢的经济性应用，成本价格当然是决定性的。本书第13章给出了不同产氢方法的成本比较。通过水的电解从可再生一次能源生产氢这种重要的能量转换方法在第11章和第12章中进行描述。兆瓦级的大型电解槽为集中式制氢开辟了全新的领域。在第14章中讨论了燃料电池及其应用的现状和未来。这些章节经过了很大程度的修订，特别是关于新的发现和进一步的观点。
此外，本书在第1版基础上还增加了两个部分：一个是关于氢的盐穴存储，另一个是从电力到X（Power-to-X），即将燃气在能源系统中的作用视为对所有未来可能性的总结。
当然，这本书并不能说是完整的。氢的可能用途是广泛的，未来，必将进一步挖掘其潜力。但氢作为能量载体的市场导入临界点已经过去了。通过这本书，作者、编辑和出版商希望让工程师、技术人员和管理人员有机会考虑开始使用这项技术，寻找合作机会并拓宽他们对整个领域的知识面。
氢当然不是将现有能源结构转型为可持续的能源供给的灵丹妙药，但它作为典范将为德国的能源转型成功做出重要贡献。
约翰内斯·特普勒（Johannes Tpler），德国氢能与燃料电池协会，埃斯林根大学
约亨·莱曼（Jochen Lehmann），德国氢能与燃料电池协会，施特拉尔松德应用科学大学
约翰内斯·特普勒（Johannes Tpler），德国氢能与燃料电池协会，埃斯林根大学
约亨·莱曼（Jochen Lehmann），德国氢能与燃料电池协会，施特拉尔松德应用科学大学
序
第2版前言
译者的话
第1章作为战略性二次能量载体的氢1
1.1框架条件1
1.2氢和能源产业3
1.2.1氢的性质3
1.2.2氢的生产4
1.2.3由化石能量载体和生物质制氢4
1.2.4通过热能分解水6
1.2.5通过电能（电解）分解水6
1.2.6通过阳光分解水（光催化）8
1.3氢的运输和存储8
1.3.1气态或液态氢的运输8
1.3.2通过管道进行氢分配9
1.3.3盐穴中氢的存储9
1.4氢作为化学原材料的应用和在能量转换技术中的应用10
1.4.1氨的生产11
1.4.2石化行业中的氢11
1.4.3氢和燃料电池11
1.4.4氢作为汽车燃料12
1.4.5氢作为飞机燃料13
1.4.6氢作为CCS电厂的中间产品13
1.4.7钢铁生产工业中的氢13
1.4.8氢作为甲烷和甲醇生产的原材料14
1.5氢经济：竞争对手和可能的整合14
1.5.1氢和交通运输15
1.5.2氢和核聚变：从另一个角度审视16
1.6总结和展望16
参考文献17
第2章氢在电力系统大规模储能中的作用18
2.1引言18
2.2研究主题19
2.3大规模存储技术19
2.3.1抽水蓄能电站（PSW）20
2.3.2非绝热压缩空气储能电站（CAES）20
2.3.3绝热压缩空气储能电站（AA-CAES）20
2.3.4氢存储系统20
2.3.5甲烷存储系统21
2.4模型描述21
2.5研究场景的描述22
2.5.1一般的数据基础和假设22
2.5.2敏感性分析的说明23
2.6结果24
2.6.1基本场景24
2.6.2敏感性分析25
2.6.3氢应用的季节性和电力结构27
2.7结论和总结29
参考文献30
第3章氢的应用安全性32
3.1概述32
3.2氢的危险特性32
3.2.1易燃性33
3.2.2小的分子34
3.2.3低温34
3.2.4其他35
3.3防爆35
3.3.1区域36
3.3.2一次防爆36
3.3.3二次防爆37
3.3.4结构性防爆37
3.3.5法律方面的框架条件38
3.4存储38
3.4.1压缩气体39
3.4.2低温液体39
3.4.3熔融物40
3.4.4超临界流体40
3.4.5地下存储40
3.4.6化合物41
3.4.7法律上的框架条件41
3.5运输42
3.5.1管道42
3.5.2道路42
3.5.3其他交通路线43
3.5.4法律上的框架条件43
参考文献43
第4章移动式应用44
4.1可持续的移动性44
4.2动力总成的电气化50
4.3对燃料电池汽车和燃料电池动力总成的要求53
4.3.1技术要求54
4.3.2立法要求/法规54
4.3.3车辆制造商的内部要求54
4.4燃料电池动力总成的技术实施55
4.4.1乘用车的具体特点55
4.4.2货车的具体特点56
4.4.3客车的具体特点56
4.5燃料电池驱动的主要系统59
4.5.1燃料电池堆59
4.5.2燃料电池系统61
4.5.3高压（HV）架构63
4.5.4运营管理挑战：效率和冷启动64
4.6移动式应用的氢存储系统67
4.6.1压力存储设施67
4.6.2液态氢的存储71
4.6.3氢化物71
4.6.4其他方案73
4.7移动式应用中燃料电池技术的历史74
4.7.1货车和乘用车74
4.7.2城市公交车77
4.7.3其他移动式应用81
4.8展望83
参考文献85
第5章氢和燃料电池在航空中的移动式应用88
5.1引言88
5.2氢作为主要动力88
5.3商用飞机上燃料电池的功能90
5.4燃料电池在飞机上作为小型应急发电装置95
5.5商用飞机在机场的电动滑行95
5.6小型飞机中的燃料电池96
5.7无人机中的燃料电池97
5.8总结100
参考文献101
第6章住宅能量供应中的燃料电池104
6.1热电联产104
6.2为什么仍然是燃料电池106
6.3基于天然气的燃料电池加热装置109
6.4住宅内燃料电池加热装置的集成113
6.5使用可再生能源的燃料电池加热装置115
6.6燃料电池加热装置的现状和展望117
参考文献117
第7章备用电源118
7.1意义和应用领域118
7.2技术状态118
7.2.1USV系统119
7.2.2应急电源系统（NEA）120
7.3采用燃料电池的备用电源121
7.3.1重要要求和合适的燃料电池类型123
7.3.2合适的燃料电池系统的设计特征124
7.4技术比较124
第8章与安全相关的应用127
8.1燃料电池和防火127
8.2减氧概述128
8.2.1材料的保护129
8.2.2人员的逗留130
8.2.3保护区130
8.3燃料电池的新应用131
8.4结论132
参考文献133
第9章便携式燃料电池134
9.1引言134
9.2技术状态134
9.2.1氢系统134
9.2.2直接甲醇燃料电池135
9.2.3带前置重整器的燃料电池系统137
9.2.4小功率的固体氧化物燃料电池137
9.3储氢设施138
9.4微型燃料电池138
参考文献139
第10章常规、低碳、绿色的氢的工业化生产和应用141
10.1引言141
10.2氢作为工业原材料142
10.2.1按行业划分的全球应用情况142
10.2.2工业应用142
10.3氢的生产143
10.3.1利用化石资源的传统生产143
10.3.2来自化石资源的低碳生产146
10.3.3可再生（绿色）氢的生产147
10.3.4氢的温室气体强度的检测系统148
10.4氢的运输和分配148
10.5工业上低碳制氢的应用149
10.5.1低碳和绿色氢的主要应用方式的比较149
10.5.2在工业中低碳制氢应用的机遇和障碍151
10.6采取行动的必要性152
参考文献153
第11章电解方法155
11.1引言155
11.2物理化学基础157
11.3碱性电解160
11.4PEM电解162
11.5高温电解163
11.6技术现状165
11.6.1碱性电解概貌165
11.6.2PEM电解概貌166
11.7当今应用示例167
11.7.1从电力到气体（Power-to-Gas）167
11.7.2加注站168
11.8展望168
参考文献169
第12章大型电解系统的发展：需求和方法172
12.1引言172
12.2为什么需要大型电解系统以及大型是什么意思172
12.3大型电解系统的开发必须吸收其他领域的哪些经验175
12.4为大型电解系统设计哪些安全性方案179
12.5这些大型电解系统的持续运行需要哪些服务180
12.6展望182
参考文献183
第13章在基于可再生能源的供应系统中提供氢的成本184
13.1引言184
13.2在互补的供应系统中的电力和氢185
13.3氢的生产186
13.4氢的运输和分配188
13.5将氢与可再生能源整合到能源系统中189
13.6总结193
参考文献195
第14章聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）的现状和观点197
14.1摘要197
14.2引言197
14.3聚合物电解质膜燃料电池的总体设计201
14.3.1膜电极组件（MEA）202
14.3.2聚合物电解质膜203
14.3.3催化剂205
14.3.4催化剂层208
14.3.5气体扩散层（GDL）212
14.4双极板214
14.4.1双极板的功能和特性215
14.4.2金属双极板与石墨复合双极板的比较219
14.5密封件220
14.6电堆集成222
14.7对电堆成本的考虑225
14.8与其他燃料电池技术的区别228
14.8.1碱性燃料电池（AFC）229
14.8.2磷酸燃料电池（PAFC）和高温聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）230
14.8.3熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）230
14.8.4氧化物陶瓷燃料电池（SOFC）231
参考文献231
第15章盐穴储氢236
15.1引言236
15.2盐穴储能的历史236
15.3盐穴储氢技术238
15.4氢洞穴在能源转型实施中的作用239
15.5德国盐穴中氢的存储潜力241
15.6展望242
参考文献242
第16章氢从电力到X（Power-to-X）的关键元素244
16.1引言244
16.2从电力到氢245
16.2.1电力供应246
16.2.2电解247
16.2.3储氢设施249
16.2.4PtH2装置方案250
16.3从电力到甲烷251
16.3.1高温电解253
16.3.2甲烷化253
16.3.3CO2供给254
16.4从电力到液体257
16.4.1PtL的生产257
16.4.2案例研究：喷气燃料259
16.4.3PtL作为燃料是有意义的还是无稽之谈259
16.5PtX燃料比较260
16.5.1PtX组件的技术成熟度等级260
16.5.2从油井到油箱（well-to-tank）的PtX生产效率261
16.5.3案例分析：乘用车从油井到车轮262
16.6氢的系统性观点267
16.6.1以交通运输的电力需求为例，从电力系统角度看可再生电力（EE）与PtX的集成268
16.6.2PtH2作为部门耦合的关键组件268
16.6.3案例研究：炼油厂中的氢270
16.7总结和展望271
参考文献273
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