　　本书作者Bent S?rensen博士是丹麦罗斯基勒大学（Roskilde University）退休物理学教授，可再生能源开拓者，获得过包括欧洲太阳能奖在内的众多奖励和荣誉。因此，Bent Sorensen博士能够以宽阔的视野，系统全面介绍氢和燃料电池技术及其社会影响。另一方面，书中以凝练的笔锋，阐述了所涉及的一些基础知识，如电化学、量子力学、生物学、化学催化等，这将引导读者对燃料电池产生浓厚兴趣，以不同视角解决其中的科学挑战，而产生积极作用。

内容简介

　　氢和燃料电池分别代表了理想的能源（载体）及其利用手段。本书内容丰富，系统介绍了氢气的生产、存储、运输等的各种方法，燃料电池的基础知识和燃料电池系统，未来使用场景，直接成本和生命周期成本，以及未来展望等。在每章末尾均给出了问题和讨论，其中的一些内容可以作为问题导向的小课题。

　　本书适合具有一定的相关知识背景,但在氢和燃料电池方面不是特别有经验的读者，读者将会从技术与政策因素、经济和环境评价等方面，全面了解整个氢和燃料电池领域的发展、挑战和机会。本书也可以作为高等院校新能源专业的教材使用。

作者简介

　　Bent Srensen博士，是丹麦罗斯基勒大学（Roskilde University）退休物理学教授和Novator先进技术咨询公司董事长。他曾在美国的加州大学伯克利分校、国家可再生能源实验室、耶鲁大学，日本的京都大学，法国的格勒诺布尔大学，以及澳大利亚的新南威尔士大学工作。他获得过包括欧洲太阳能奖在内的许多奖励和荣誉。

译者序
中文版前言
原书第2版前言
原书第1版前言
单位和转换系数表
第1章概述1
1.1燃料电池和氢能可能扮演的角色1
第2章氢气4
2.1氢气的生产4
2.1.1蒸汽重整5
2.1.2部分氧化重整、自热重整和干气重整8
2.1.3水电解:燃料电池的逆运行9
2.1.4汽化和木质生物质转化17
2.1.5生物法制氢20
2.1.6光分解33
2.1.7直接加热或催化水分解41
2.2生产规模相关的问题41
2.2.1集中式产氢41
2.2.2分散式产氢42
2.2.3车载燃料重整42
2.3氢转化概述46
2.3.1用作能源载体46
2.3.2用作能源存储介质47
2.3.3燃烧用途48
2.3.4固定式燃料电池用途50
2.3.5用于交通的燃料电池用途51
2.3.6直接使用51
2.4氢存储方式52
2.4.1压缩气体存储52
2.4.2液氢存储55
2.4.3氢化物存储56
2.4.4在碳材料上的低温吸附71
2.4.5其他化学存储方式72
2.4.6存储方式比较72
2.5氢气的运输73
2.5.1容器运输73
2.5.2管道运输74
2.6问题和讨论75
第3章燃料电池76
3.1基本概念76
3.1.1燃料电池的电化学和热力学76
3.1.2模型化方面85
3.1.3量子化学方法88
3.1.4在金属表面上水分解或者燃料电池的性能的应用98
3.1.5流动和扩散模型化111
3.1.6温度因素114
3.2熔融碳酸盐燃料电池114
3.3固体氧化物燃料电池117
3.4酸性和碱性燃料电池130
3.5质子交换膜燃料电池134
3.5.1电流收集和气体传输系统135
3.5.2气体扩散层138
3.5.3膜层144
3.5.4催化作用150
3.5.5整体性能153
3.5.6高温和逆运行155
3.5.7衰减和寿命158
3.6直接甲醇和其他非氢燃料电池159
3.7生物燃料电池164
3.8问题和讨论166
第4章系统168
4.1客车168
4.1.1可供客车选择的系统168
4.1.2质子交换膜燃料电池汽车170
4.1.3性能模拟174
4.2其他道路车辆189
4.3船、火车和飞机192
4.4发电厂和独立系统197
4.5建筑集成系统200
4.6便携式和其他小规模系统202
4.7问题和讨论206
第5章实施远景方案207
5.1基础设施的需求207
5.1.1用于储氢的基础设施207
5.1.2输送设施209
5.1.3本地分布210
5.1.4充气站211
5.1.5建筑集成的概念212
5.2安全和规范问题213
5.2.1安全问题213
5.2.2安全要求214
5.2.3国家标准和国际标准218
5.3基于化石能源的远景方案219
5.3.1远景方案技术和需求建模219
5.3.2全球清洁化石能源的前景231
5.4基于核能的远景方案239
5.4.1历史和现实的关注239
5.4.2安全核技术240
5.5基于可再生能源的远景方案251
5.5.1全球可再生能源前景251
5.5.2详细的国家可再生能源前景254
5.5.3新区域远景方案281
5.6问题和讨论286
第6章社会影响287
6.1成本预期287
6.1.1制氢成本287
6.1.2燃料电池成本288
6.1.3储氢成本292
6.1.4基础设施成本293
6.1.5系统成本294
6.2对环境和社会影响的寿命周期分析296
6.2.1寿命周期分析的目的和方法297
6.2.2氢生产的寿命周期分析299
6.2.3燃料电池的寿命周期分析303
6.2.4传统的乘用车和燃料电池乘用车的寿命周期比较307
6.2.5其他运输车辆的寿命周期评估319
6.2.6氢存储及其基础设施的寿命周期评估320
6.2.7氢系统的寿命周期分析321
6.3各种不确定性322
6.4问题和讨论323
第7章总结:有条件的出路325
7.1机遇325
7.2障碍326
7.3竞争328
7.4前进之路337
7.4.1在可再生能源系统中氢的存储337
7.4.2燃料电池汽车338
7.4.3与建筑集成的燃料电池339
7.4.4在移动设备中的燃料电池340
7.4.5集中式发电的燃料电池340
7.4.6效率问题341
7.5改变能源结构我们还要多长时间347
7.6结束和开始349
参考文献351

前言/序言

　　译者序燃料电池最早始于1839年英国人WilliamGrove爵士提出的“气体电池”,他把两个铂电极浸入到稀硫酸中，先电解产生氢气和氧气。然后连接外部负载，氢气与氧气发生电化学反应，产生电流。然而，其后的发展经历十分曲折。与其同时代发明的蒸汽机已经成为一项成熟的传统技术，燃料电池至今仍被称为“新”能源技术。

　　近200年以来，燃料电池经历过几次发展高潮：

　　�r 20世纪60年代初，燃料电池首次应用于Apollo登月飞船，带动了其在航空航天方面应用的热潮；

　　�r 20世纪80年代后期，燃料电池在发电站和汽车等方面应用发展迅速，许多国家投入大量人力和物力进行研究开发；

　　�r 现在，日本丰田汽车公司于2014年11月推出商业款燃料电池汽车“未来（MIRAI）”，世界主要汽车厂商纷纷把各自的燃料电池汽车商业化时刻表定在2025年之前，这预示着燃料电池开始进入了一个新的迸发时期。

　　燃料电池技术经历如此长时间的跌宕起伏历程，仍为人们所孜孜追求，不仅表明了该技术的复杂性，更透露出该技术将对人类社会产生重大的积极影响。人类的发展离不开能源，现今广泛使用的化石能源，一方面储量有限，另一方面是使用过程中伴随着污染和二氧化碳排放问题。氢能是人类能够使用的终极清洁能源。

　　氢气是能源（载体），是燃料电池的最佳燃料。通过阅读本书，您会对燃料电池和与其密切相关的氢能有深入了解。

　　本书作者BentS�蟫ensen博士是丹麦罗斯基勒大学（RoskildeUniversity）退休物理学教授，可再生能源开拓者，获得过包括著名的欧洲太阳能奖在内的众多奖励和荣誉。因此，BentS�蟫ensen博士能够以宽阔的视野，系统全面介绍氢和燃料电池技术及其社会影响。另一方面，书中以凝练的笔锋，阐述了所涉及的一些基础知识，如电化学、量子力学、生物学和化学催化等，这将引导读者对燃料电池产生浓厚兴趣，以不同视角解决其中的科学挑战而产生积极作用。

　　本书由隋升统筹，其中第1、3、7章由上海交通大学隋升翻译，第2、4章由华东理工大学李平翻译，第5、6章由上海理工大学郭雪岩翻译。魏朝旭、向康、何岸等也参与了部分翻译工作。由于译者学识有限，加之书中涉及专业知识众多，译本中难免出现不准确甚至错误的地方，敬请读者谅解、批评指正。

　　译者

　　2015年9月于上海中文版前言氢和燃料电池都有着悠久的工业使用历史，如利用碱性电解技术来生产氢气，以及采用当地管道在工业设施之间输送氢。电解槽是逆向模式运行的燃料电池，它将电能转换成氢气。在最近几十年中，对燃料电池正向运行的兴趣，即使用氢生产电力，在不断增强，特别是由于可能在车辆中应用的原因。这一吸引力在于氢不会产生任何污染，无论是用在内燃机,还是在燃料电池中，并且燃料电池在与电动机组合使用时，会提供比内燃机更高的效率。到目前为止，有限的、使用燃料电池车辆的缺点是成本高和寿命有限。

　　这本书介绍了实际应用氢和燃料电池背后的基础科学和工程技术，并解释了在一个很广阔应用范围内的功能作用。此外还讨论了影响环境、成本和可能会影响投入实际应用的其他因素，并与其他新兴技术做了比较，如交通领域的纯电动汽车，在这个领域人们发现，相比纯燃料电池或纯电池驱动的车辆，一个适度混合的燃料电池——电动汽车应该是最便宜的选择。

　　研究不同类型的燃料电池是一项高度跨学科的学问，它覆盖了从电化学电池的电解质表面的量子过程，到生物有机燃料电池的生化细节。不用于燃料电池的氢的用途也可能会很有趣。在世界的许多地方，风力涡轮机和太阳电池的使用率正在迅速增加。在欧洲，在某些情况下这种现象已经导致人们开始关注太阳能和风能输入端的间歇特性问题，并且已经确定了两个补救措施：实现在一个足够大的区域内的电力传输，可以大大减少提供给用户的电力波动，地下氢存储可以处理剩余的能量平衡问题。在欧洲，国际传输电网正在迅速强化和扩大，并提出了在地下含水层或盐穴储氢的具体建议。即使燃料电池无法满足成本和耐久性标准，这些方案选项也是有效的，因为以燃氢的燃气轮机恢复电力，成本会低很多，而效率只有小幅度的下降。

　　在最近的一本书（S�蟫ensen：能源的间歇性，CRC Press/Taylor & Francis），针对北美洲和中国，以这样方案安装的电源系统进行了建模，显示了以这样方式，基于可再生能源的能源系统是100%可能的。在中国，这将需要新的传输能力，从适合于风力涡轮机和太阳电池的农场的西北高原，输送到南部和东部的主要负载区域，同时利用大量的海上风力资源和现有的水电，再加上与建筑物集成的太阳能。

　　Bent S�蟫ensen

　　Gilleleje,2015原书第2版前言在写本书的第1版时，人们对燃料电池和汽车工业有一种热切信念，即氢燃料电池汽车将在21世纪的第一个10年开始渗透到市场。由于多种原因，这个目标并没有实现。5年的燃料电池寿命和平均1kW批量生产成本10000美元的目标指标并不是很高，但实践证明在短期内仍然难以达到。5年的燃料电池寿命实际是偏低的，因为受到在制造和资源利用过程中担忧环境影响的刺激，目前汽车工作寿命接近20年。只有5年寿命的燃料电池汽车在寿命周期内必须更换三次，考虑到设备和更换工作，这会大大增加实际成本。同时，在目前市场评估中的另一个因素是实力竞争，竞争对手包括了电动汽车、电池和与石油燃料相结合的混合动力汽车，以及用于运输行业的新一代生物燃料。在这个新版本中，将这些竞争对手相对于氢燃料交通应用的优劣进行仔细评估，同时对其他方面的燃料电池使用也进行了类似的评估。

　　对于研究人员和燃料电池及相关设备制造商，暂时的挫折不只是负面的，因为它提供了一个机会，重新思考基本设计概念，并提出一些新的想法，这些也许在为达到早期目标的狂热追捧中遗留下来尚未做处理。幸运的是，虽然氢燃料电池汽车头条新闻故事相对较少，但人们并没有放慢在科学和工程方面的努力步伐，这个版本将介绍和讨论许多新的、令人振奋的进展。这个过程中伴随着对电池结构内电化学过程的基本了解，以及车辆和系统概念的发展，战胜许多挑战，通过在几个方面从传统的可操作性和现有基础设施的布局出发，引入新技术。

　　考虑到电池和燃料电池技术的结合，此版本扩大了混合动力系统涉及的内容，而不是着重把它们看成是相互排斥的竞争对手。这被证明是一种合适的组合，无论是使用燃料电池和先进电池的插电式混合动力汽车，或独立的概念，可以实现纯燃料电池汽车或纯电动汽车无法获得的性能和经济性。燃料电池的研发领域已经吸引了一些有经验的科学家和工程师，我希望本书可以激发这些人的研究兴趣。

　　BentS�蟫ensen

　　Gilleleje

　　2011年6月

　　boson@ruc�眃k

　　原书第1版前言这些年来，许多科学家和工程师进入氢和燃料电池领域是因为其令人兴奋的前景和大量资助。为了应对由于许多石油生产大国政治不稳定、资源的不确定性以及不断增加的对环境影响的关注，在未来几年内人类的目标是借助于在生产、分配和转换技术的重大变化，改变能源的供给和使用方式。

　　本书是为本领域的新人写的，对于那些专业上有越来越多课程的学生、已经在某些具体领域有了深入的了解和有所建树的科学家和开发者，他们是想从技术到政策因素、经济和环境评价方面了解燃料电池整个领域。我的目的是向具有一定的科学背景，但在氢和燃料电池方面没有特殊经验的人们提供一个介绍，并为读者提供最新的研究和前沿知识，以便把新兴技术与常规科学领域的概念联系起来。

　　在每章末尾是问题和讨论，其中的一些内容可以作为问题导向的小课题。

　　事实上，在氢和燃料电池领域的知识发展步伐如此之快，以致本书一半的内容是基于最近一年的材料（按照写作时间），并且甚至经常是没有发表或者科技期刊显示“出版中”的材料。很高兴能够将这些非常新鲜的材料从我的同行的办公桌上选入本书。新技术可以使某些研究与写书一起进行，这在5～10年前是根本不可能的。

　　为了达到上述所讲的目标，我尽量避免专业术语，或者如果它是重要的，读者会在最新的科学期刊见到专用术语的定义和解释，书中提供具有物理、化学或者生物学基础读者熟悉的概念联系。政策的规划者和实施者会在这些领域与常规经济和环境联系，找到新的思路和方法，并制定科学计划。

　　归根结底，我想传达氢和燃料电池领域中的丰富多彩，并提出了需要通过人类的聪明才智加倍努力的挑战，这个人就是你，亲爱的读者。

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