氫與燃料電池 新興的技術及其應用（原書第2版） 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

編輯推薦

　　本書內容豐富，係統介紹瞭氫氣的生産、儲存、運輸的各種方法，燃料電池的基礎知識和燃料電池係統，未來使用場景，直接成本和生命周期成本，以及未來展望等。在每章末尾給齣瞭問題和討論，其中的一些可以作為問題導嚮的小課題。通過閱讀本書，您會對燃料電池和與其密切相關的氫能有深入瞭解。

　　本書作者Bent S?rensen博士是丹麥羅斯基勒大學（Roskilde University）退休物理學教授，可再生能源開拓者，獲得過包括歐洲太陽能奬在內的眾多奬勵和榮譽。因此，Bent Sorensen博士能夠以寬闊的視野，係統全麵介紹氫和燃料電池技術及其社會影響。另一方麵，書中以凝練的筆鋒，闡述瞭所涉及的一些基礎知識，如電化學、量子力學、生物學、化學催化等，這將引導讀者對燃料電池産生濃厚興趣，以不同視角解決其中的科學挑戰，而産生積極作用。

內容簡介

　　氫和燃料電池分彆代錶瞭理想的能源（載體）及其利用手段。本書內容豐富，係統介紹瞭氫氣的生産、存儲、運輸等的各種方法，燃料電池的基礎知識和燃料電池係統，未來使用場景，直接成本和生命周期成本，以及未來展望等。在每章末尾均給齣瞭問題和討論，其中的一些內容可以作為問題導嚮的小課題。

　　本書適閤具有一定的相關知識背景,但在氫和燃料電池方麵不是特彆有經驗的讀者，讀者將會從技術與政策因素、經濟和環境評價等方麵，全麵瞭解整個氫和燃料電池領域的發展、挑戰和機會。本書也可以作為高等院校新能源專業的教材使用。

作者簡介

　　Bent Srensen博士，是丹麥羅斯基勒大學（Roskilde University）退休物理學教授和Novator先進技術谘詢公司董事長。他曾在美國的加州大學伯剋利分校、國傢可再生能源實驗室、耶魯大學，日本的京都大學，法國的格勒諾布爾大學，以及澳大利亞的新南威爾士大學工作。他獲得過包括歐洲太陽能奬在內的許多奬勵和榮譽。

目錄

譯者序
中文版前言
原書第2版前言
原書第1版前言
單位和轉換係數錶
第1章概述1
1.1燃料電池和氫能可能扮演的角色1
第2章氫氣4
2.1氫氣的生産4
2.1.1蒸汽重整5
2.1.2部分氧化重整、自熱重整和乾氣重整8
2.1.3水電解:燃料電池的逆運行9
2.1.4汽化和木質生物質轉化17
2.1.5生物法製氫20
2.1.6光分解33
2.1.7直接加熱或催化水分解41
2.2生産規模相關的問題41
2.2.1集中式産氫41
2.2.2分散式産氫42
2.2.3車載燃料重整42
2.3氫轉化概述46
2.3.1用作能源載體46
2.3.2用作能源存儲介質47
2.3.3燃燒用途48
2.3.4固定式燃料電池用途50
2.3.5用於交通的燃料電池用途51
2.3.6直接使用51
2.4氫存儲方式52
2.4.1壓縮氣體存儲52
2.4.2液氫存儲55
2.4.3氫化物存儲56
2.4.4在碳材料上的低溫吸附71
2.4.5其他化學存儲方式72
2.4.6存儲方式比較72
2.5氫氣的運輸73
2.5.1容器運輸73
2.5.2管道運輸74
2.6問題和討論75
第3章燃料電池76
3.1基本概念76
3.1.1燃料電池的電化學和熱力學76
3.1.2模型化方麵85
3.1.3量子化學方法88
3.1.4在金屬錶麵上水分解或者燃料電池的性能的應用98
3.1.5流動和擴散模型化111
3.1.6溫度因素114
3.2熔融碳酸鹽燃料電池114
3.3固體氧化物燃料電池117
3.4酸性和堿性燃料電池130
3.5質子交換膜燃料電池134
3.5.1電流收集和氣體傳輸係統135
3.5.2氣體擴散層138
3.5.3膜層144
3.5.4催化作用150
3.5.5整體性能153
3.5.6高溫和逆運行155
3.5.7衰減和壽命158
3.6直接甲醇和其他非氫燃料電池159
3.7生物燃料電池164
3.8問題和討論166
第4章係統168
4.1客車168
4.1.1可供客車選擇的係統168
4.1.2質子交換膜燃料電池汽車170
4.1.3性能模擬174
4.2其他道路車輛189
4.3船、火車和飛機192
4.4發電廠和獨立係統197
4.5建築集成係統200
4.6便攜式和其他小規模係統202
4.7問題和討論206
第5章實施遠景方案207
5.1基礎設施的需求207
5.1.1用於儲氫的基礎設施207
5.1.2輸送設施209
5.1.3本地分布210
5.1.4充氣站211
5.1.5建築集成的概念212
5.2安全和規範問題213
5.2.1安全問題213
5.2.2安全要求214
5.2.3國傢標準和國際標準218
5.3基於化石能源的遠景方案219
5.3.1遠景方案技術和需求建模219
5.3.2全球清潔化石能源的前景231
5.4基於核能的遠景方案239
5.4.1曆史和現實的關注239
5.4.2安全核技術240
5.5基於可再生能源的遠景方案251
5.5.1全球可再生能源前景251
5.5.2詳細的國傢可再生能源前景254
5.5.3新區域遠景方案281
5.6問題和討論286
第6章社會影響287
6.1成本預期287
6.1.1製氫成本287
6.1.2燃料電池成本288
6.1.3儲氫成本292
6.1.4基礎設施成本293
6.1.5係統成本294
6.2對環境和社會影響的壽命周期分析296
6.2.1壽命周期分析的目的和方法297
6.2.2氫生産的壽命周期分析299
6.2.3燃料電池的壽命周期分析303
6.2.4傳統的乘用車和燃料電池乘用車的壽命周期比較307
6.2.5其他運輸車輛的壽命周期評估319
6.2.6氫存儲及其基礎設施的壽命周期評估320
6.2.7氫係統的壽命周期分析321
6.3各種不確定性322
6.4問題和討論323
第7章總結:有條件的齣路325
7.1機遇325
7.2障礙326
7.3競爭328
7.4前進之路337
7.4.1在可再生能源係統中氫的存儲337
7.4.2燃料電池汽車338
7.4.3與建築集成的燃料電池339
7.4.4在移動設備中的燃料電池340
7.4.5集中式發電的燃料電池340
7.4.6效率問題341
7.5改變能源結構我們還要多長時間347
7.6結束和開始349
參考文獻351

前言/序言

　　譯者序燃料電池最早始於1839年英國人WilliamGrove爵士提齣的“氣體電池”,他把兩個鉑電極浸入到稀硫酸中，先電解産生氫氣和氧氣。然後連接外部負載，氫氣與氧氣發生電化學反應，産生電流。然而，其後的發展經曆十分麯摺。與其同時代發明的蒸汽機已經成為一項成熟的傳統技術，燃料電池至今仍被稱為“新”能源技術。

　　近200年以來，燃料電池經曆過幾次發展高潮：

　　�r 20世紀60年代初，燃料電池首次應用於Apollo登月飛船，帶動瞭其在航空航天方麵應用的熱潮；

　　�r 20世紀80年代後期，燃料電池在發電站和汽車等方麵應用發展迅速，許多國傢投入大量人力和物力進行研究開發；

　　�r 現在，日本豐田汽車公司於2014年11月推齣商業款燃料電池汽車“未來（MIRAI）”，世界主要汽車廠商紛紛把各自的燃料電池汽車商業化時刻錶定在2025年之前，這預示著燃料電池開始進入瞭一個新的迸發時期。

　　燃料電池技術經曆如此長時間的跌宕起伏曆程，仍為人們所孜孜追求，不僅錶明瞭該技術的復雜性，更透露齣該技術將對人類社會産生重大的積極影響。人類的發展離不開能源，現今廣泛使用的化石能源，一方麵儲量有限，另一方麵是使用過程中伴隨著汙染和二氧化碳排放問題。氫能是人類能夠使用的終極清潔能源。

　　氫氣是能源（載體），是燃料電池的最佳燃料。通過閱讀本書，您會對燃料電池和與其密切相關的氫能有深入瞭解。

　　本書作者BentS�蟫ensen博士是丹麥羅斯基勒大學（RoskildeUniversity）退休物理學教授，可再生能源開拓者，獲得過包括著名的歐洲太陽能奬在內的眾多奬勵和榮譽。因此，BentS�蟫ensen博士能夠以寬闊的視野，係統全麵介紹氫和燃料電池技術及其社會影響。另一方麵，書中以凝練的筆鋒，闡述瞭所涉及的一些基礎知識，如電化學、量子力學、生物學和化學催化等，這將引導讀者對燃料電池産生濃厚興趣，以不同視角解決其中的科學挑戰而産生積極作用。

　　本書由隋升統籌，其中第1、3、7章由上海交通大學隋升翻譯，第2、4章由華東理工大學李平翻譯，第5、6章由上海理工大學郭雪岩翻譯。魏朝旭、嚮康、何岸等也參與瞭部分翻譯工作。由於譯者學識有限，加之書中涉及專業知識眾多，譯本中難免齣現不準確甚至錯誤的地方，敬請讀者諒解、批評指正。

　　譯者

　　2015年9月於上海中文版前言氫和燃料電池都有著悠久的工業使用曆史，如利用堿性電解技術來生産氫氣，以及采用當地管道在工業設施之間輸送氫。電解槽是逆嚮模式運行的燃料電池，它將電能轉換成氫氣。在最近幾十年中，對燃料電池正嚮運行的興趣，即使用氫生産電力，在不斷增強，特彆是由於可能在車輛中應用的原因。這一吸引力在於氫不會産生任何汙染，無論是用在內燃機,還是在燃料電池中，並且燃料電池在與電動機組閤使用時，會提供比內燃機更高的效率。到目前為止，有限的、使用燃料電池車輛的缺點是成本高和壽命有限。

　　這本書介紹瞭實際應用氫和燃料電池背後的基礎科學和工程技術，並解釋瞭在一個很廣闊應用範圍內的功能作用。此外還討論瞭影響環境、成本和可能會影響投入實際應用的其他因素，並與其他新興技術做瞭比較，如交通領域的純電動汽車，在這個領域人們發現，相比純燃料電池或純電池驅動的車輛，一個適度混閤的燃料電池——電動汽車應該是最便宜的選擇。

　　研究不同類型的燃料電池是一項高度跨學科的學問，它覆蓋瞭從電化學電池的電解質錶麵的量子過程，到生物有機燃料電池的生化細節。不用於燃料電池的氫的用途也可能會很有趣。在世界的許多地方，風力渦輪機和太陽電池的使用率正在迅速增加。在歐洲，在某些情況下這種現象已經導緻人們開始關注太陽能和風能輸入端的間歇特性問題，並且已經確定瞭兩個補救措施：實現在一個足夠大的區域內的電力傳輸，可以大大減少提供給用戶的電力波動，地下氫存儲可以處理剩餘的能量平衡問題。在歐洲，國際傳輸電網正在迅速強化和擴大，並提齣瞭在地下含水層或鹽穴儲氫的具體建議。即使燃料電池無法滿足成本和耐久性標準，這些方案選項也是有效的，因為以燃氫的燃氣輪機恢復電力，成本會低很多，而效率隻有小幅度的下降。

　　在最近的一本書（S�蟫ensen：能源的間歇性，CRC Press/Taylor & Francis），針對北美洲和中國，以這樣方案安裝的電源係統進行瞭建模，顯示瞭以這樣方式，基於可再生能源的能源係統是100%可能的。在中國，這將需要新的傳輸能力，從適閤於風力渦輪機和太陽電池的農場的西北高原，輸送到南部和東部的主要負載區域，同時利用大量的海上風力資源和現有的水電，再加上與建築物集成的太陽能。

　　Bent S�蟫ensen

　　Gilleleje,2015原書第2版前言在寫本書的第1版時，人們對燃料電池和汽車工業有一種熱切信念，即氫燃料電池汽車將在21世紀的第一個10年開始滲透到市場。由於多種原因，這個目標並沒有實現。5年的燃料電池壽命和平均1kW批量生産成本10000美元的目標指標並不是很高，但實踐證明在短期內仍然難以達到。5年的燃料電池壽命實際是偏低的，因為受到在製造和資源利用過程中擔憂環境影響的刺激，目前汽車工作壽命接近20年。隻有5年壽命的燃料電池汽車在壽命周期內必須更換三次，考慮到設備和更換工作，這會大大增加實際成本。同時，在目前市場評估中的另一個因素是實力競爭，競爭對手包括瞭電動汽車、電池和與石油燃料相結閤的混閤動力汽車，以及用於運輸行業的新一代生物燃料。在這個新版本中，將這些競爭對手相對於氫燃料交通應用的優劣進行仔細評估，同時對其他方麵的燃料電池使用也進行瞭類似的評估。

　　對於研究人員和燃料電池及相關設備製造商，暫時的挫摺不隻是負麵的，因為它提供瞭一個機會，重新思考基本設計概念，並提齣一些新的想法，這些也許在為達到早期目標的狂熱追捧中遺留下來尚未做處理。幸運的是，雖然氫燃料電池汽車頭條新聞故事相對較少，但人們並沒有放慢在科學和工程方麵的努力步伐，這個版本將介紹和討論許多新的、令人振奮的進展。這個過程中伴隨著對電池結構內電化學過程的基本瞭解，以及車輛和係統概念的發展，戰勝許多挑戰，通過在幾個方麵從傳統的可操作性和現有基礎設施的布局齣發，引入新技術。

　　考慮到電池和燃料電池技術的結閤，此版本擴大瞭混閤動力係統涉及的內容，而不是著重把它們看成是相互排斥的競爭對手。這被證明是一種閤適的組閤，無論是使用燃料電池和先進電池的插電式混閤動力汽車，或獨立的概念，可以實現純燃料電池汽車或純電動汽車無法獲得的性能和經濟性。燃料電池的研發領域已經吸引瞭一些有經驗的科學傢和工程師，我希望本書可以激發這些人的研究興趣。

　　BentS�蟫ensen

　　Gilleleje

　　2011年6月

　　boson@ruc�眃k

　　原書第1版前言這些年來，許多科學傢和工程師進入氫和燃料電池領域是因為其令人興奮的前景和大量資助。為瞭應對由於許多石油生産大國政治不穩定、資源的不確定性以及不斷增加的對環境影響的關注，在未來幾年內人類的目標是藉助於在生産、分配和轉換技術的重大變化，改變能源的供給和使用方式。

　　本書是為本領域的新人寫的，對於那些專業上有越來越多課程的學生、已經在某些具體領域有瞭深入的瞭解和有所建樹的科學傢和開發者，他們是想從技術到政策因素、經濟和環境評價方麵瞭解燃料電池整個領域。我的目的是嚮具有一定的科學背景，但在氫和燃料電池方麵沒有特殊經驗的人們提供一個介紹，並為讀者提供最新的研究和前沿知識，以便把新興技術與常規科學領域的概念聯係起來。

　　在每章末尾是問題和討論，其中的一些內容可以作為問題導嚮的小課題。

　　事實上，在氫和燃料電池領域的知識發展步伐如此之快，以緻本書一半的內容是基於最近一年的材料（按照寫作時間），並且甚至經常是沒有發錶或者科技期刊顯示“齣版中”的材料。很高興能夠將這些非常新鮮的材料從我的同行的辦公桌上選入本書。新技術可以使某些研究與寫書一起進行，這在5～10年前是根本不可能的。

　　為瞭達到上述所講的目標，我盡量避免專業術語，或者如果它是重要的，讀者會在最新的科學期刊見到專用術語的定義和解釋，書中提供具有物理、化學或者生物學基礎讀者熟悉的概念聯係。政策的規劃者和實施者會在這些領域與常規經濟和環境聯係，找到新的思路和方法，並製定科學計劃。

　　歸根結底，我想傳達氫和燃料電池領域中的豐富多彩，並提齣瞭需要通過人類的聰明纔智加倍努力的挑戰，這個人就是你，親愛的讀者。

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