氢能材料

第1章 氢气的基本特性 1

1.1 氢的形成、存在和发现 1

1.1.1 氢在宇宙中的分布 1

1.1.2 氢气的发现 4

1.2 氢原子及同位素 6

1.2.1 氢原子 6

1.2.2 氢的同位素 7

1.2.3 核聚变反应的原理 9

1.3 氢分子的结构及物理性质 13

1.3.1 H2 的结构 13

1.3.2 H2 的核自旋异构体 14

1.3.3 气态氢气 15

1.3.4 气体方程 18

1.3.5 液态氢和固态氢 21

1.3.6 金属氢 22

1.4 氢的化学性质 23

1.4.1 氢原子的电子结构和成键特征 23

1.4.2 氢的化学反应 24

1.4.3 氢化物 27

1.5 氢气的能量 32

1.5.1 氢气的高热值和低热值 32

1.5.2 与液态燃料的比较 35

1.5.3 世界各国对氢气能量的研究动态 37

1.5.4 推动氢能发展的四个因素 40

1.6 氢气与材料的相关性 41

1.6.1 制氢新材料 42

1.6.2 氢气分离和提纯新材料 43

1.6.3 氢气储运新材料 44

1.6.4 氢能利用领域的新材料 46

参考文献 48

第2章 氢能产业装备与材料 50

2.1 氢能主要应用场景 50

2.1.1 工业 50

2.1.2 交通 52

2.1.3 发电 54

2.1.4 建筑 55

2.2 装备与材料 56

2.2.1 制氢领域 56

2.2.2 氢储运领域 73

2.2.3 氢加注领域 79

2.2.4 氢能应用领域 85

参考文献 93

第3章 材料中的氢 94

3.1 金属中的氢 95

3.1.1 氢进入金属的过程和在金属中的状态 95

3.1.2 氢在金属中的固溶位置 97

3.1.3 金属中的氢固溶度 101

3.1.4 金属中的氢固溶焓 105

3.1.5 金属-氢相图 106

3.1.6 氢在金属中的扩散 108

3.1.7 充氢和氢气的检测方法 113

3.1.8 氢对金属性能的影响 118

3.2 陶瓷中的氢 119

3.2.1 氢在陶瓷中的侵入和扩散 119

3.2.2 质子传导陶瓷材料 120

3.2.3 氧化物质子传导机制 122

3.2.4 质子陷阱 124

3.2.5 质子陶瓷燃料电池 125

3.3 有机材料中的氢 127

3.3.1 聚合物膜的氢气渗透 127

3.3.2 氢燃料电池质子交换膜 129

3.3.3 PEM 的种类和质子传递机理 134

3.3.4 PEM 存在的问题 139

3.3.5 有机液体储氢 141

参考文献 142

第4章 氢气制备中的材料 146

4.1 甲烷重整或分解制氢中的材料 146

4.1.1 甲烷的蒸汽重整反应 146

4.1.2 甲烷的催化分解 152

4.2 电解水制氢中的材料 155

4.2.1 碱性电解池 155

4.2.2 质子交换膜电解池 155

4.2.3 氢氧根交换膜电解池 164

4.3 生物质制氢中的材料 172

4.3.1 生物质通过热化学转化制氢 172

4.3.2 生物发酵制氢的过程与材料 175

4.4 光电化学池水分解 176

4.4.1 光电化学池水分解的基本过程 176

4.4.2 用于光电化学池水分解的金属氧化物光电极 178

4.5 太阳能热化学制氢中的材料 185

参考文献 187

第5章 氢气分离及相关材料 198

5.1 氢气分离与纯化 198

5.1.1 氢气应用的两种形式——混氢和纯氢 198

5.1.2 不同制氢方法的含氢量 199

5.1.3 不同应用场合对氢的要求 200

5.2 氢气的过滤及过滤材料 203

5.2.1 气体的过滤 203

5.2.2 气体过滤机理 203

5.2.3 氢气过滤材料 204

5.3 氢气纯化方法 211

5.3.1 纯化方法的种类 211

5.3.2 溶液吸收法 213

5.3.3 催化反应法 215

5.3.4 低温分离法 216

5.3.5 吸附法（选择吸附法） 216

5.3.6 膜分离法 219

5.3.7 金属氢化物分离法 220

5.3.8 几种氢气分离方法的比较 220

5.4 变压吸附法原理和工艺 223

5.4.1 国内外研究现状 224

5.4.2 吸附现象与PSA 原理 225

5.4.3 变压吸附法的工艺 227

5.4.4 多床变压吸附法 228

5.5 吸附剂材料 230

5.5.1 选择性吸附机理 231

5.5.2 吸附剂的种类 232

5.5.3 活性炭 234

5.5.4 分子筛（沸石） 240

5.5.5 硅胶 251

5.5.6 活性氧化铝 255

5.5.7 金属有机框架化合物吸附剂 259

5.5.8 不同吸附剂的性能比较 262

5.5.9 吸附剂再生及在低温和中温下的变压吸附 264

5.6 氢气的膜分离及材料 271

5.6.1 膜分离种类和机理 271

5.6.2 金属（合金）膜 276

5.6.3 无机非金属膜 286

5.6.4 有机膜 289

5.6.5 多层复合膜氢分离 294

5.6.6 多种氢分离膜的比较 295

5.7 金属氢化物纯化法 296

5.8 氢气同位素分离 298

5.8.1 氢同位素的特性 298

5.8.2 氢同位素的分离浓缩 300

5.8.3 常见的氢同位素的分离方法 302

5.8.4 氢同位素分离材料 304

5.8.5 核聚变和氚的回收 314

参考文献 319

第6章 储氢材料 323

6.1 物理吸附储氢材料 324

6.1.1 碳基材料 325

6.1.2 金属有机框架材料 327

6.1.3 共价有机框架材料 330

6.1.4 多孔有机聚合物材料 330

6.1.5 沸石 331

6.2 金属储氢材料 332

6.2.1 稀土系储氢材料 334

6.2.2 Mg 系储氢材料 339

6.2.3 Ti 系储氢材料 343

6.2.4 V 基固溶体系储氢材料 350

6.2.5 Zr 系储氢材料 354

6.3 无机非金属储氢材料 357

6.3.1 金属铝氢化物 359

6.3.2 金属硼氢化物 363

6.3.3 金属氮氢化物 366

6.3.4 氨硼烷储氢材料 370

6.4 液态有机氢载体 374

6.4.1 液态有机氢载体概述 374

6.4.2 液态有机氢载体研究现状 377

6.5 其他储氢材料（技术） 381

6.5.1 高熵合金储氢 381

6.5.2 液氨 386

6.5.3 水合物储氢技术 391

6.5.4 玻璃微球储氢材料 395

6.5.5 地下储氢 399

参考文献 403

第7章 高压氢气容器、管道及材料 414

7.1 氢气压缩特性和密度变化 414

7.1.1 概述 414

7.1.2 氢气压缩特性 414

7.1.3 氢气压缩过程的密度变化 416

7.2 工业氢气钢瓶 420

7.2.1 概述 420

7.2.2 结构、材料及发展现状 420

7.3 道路输氢设备 422

7.3.1 概述 422

7.3.2 分类 423

7.3.3 气瓶材料 425

7.3.4 道路输氢的安全性分析 430

7.4 大型高压储氢罐 431

7.4.1 概述 431

7.4.2 单层钢质高压储氢罐 432

7.4.3 多层钢质高压储氢罐 433

7.5 高压输氢管道 437

7.5.1 概述 437

7.5.2 分类及用途 437

7.5.3 管道材料 438

7.5.4 各国建设情况及技术水平 441

7.6 车载高压钢瓶 444

7.6.1 概述 444

7.6.2 全金属储罐（Ⅰ型） 444

7.6.3 金属内胆纤维环向缠绕储罐（Ⅱ型） 445

7.6.4 金属内胆纤维全缠绕储罐（Ⅲ型） 445

7.6.5 非金属内胆纤维全缠绕储罐（Ⅳ型） 447

7.6.6 全复合材料的无内胆储罐（V 型） 451

参考文献 452

第8章 液氢容器和设备及关键材料 453

8.1 液态氢的生产 453

8.1.1 Linde-Hampson 效应 453

8.1.2 Claude 循环 454

8.1.3 布雷顿循环 456

8.1.4 正-仲氢转化 456

8.1.5 液化的效率和现在的生产水平 458

8.2 液氢容器及相关材料 459

8.2.1 液氢容器类型 459

8.2.2 液氢容器材料 461

8.2.3 液氢容器应用场景 464

8.3 液氢泵及关键材料 467

8.3.1 液氢泵概述 467

8.3.2 液氢泵热力学充填模型 468

8.3.3 液氢泵关键材料 470

8.4 液氢阀门、仪表及相关材料 471

8.4.1 液氢阀门及相关材料 471

8.4.2 液氢仪表及相关材料 475

8.5 其他相关材料 478

参考文献 479

第9章 燃料电池中的材料 481

9.1 燃料电池简介 481

9.1.1 工作原理及发展历史 481

9.1.2 燃料电池的分类 484

9.1.3 燃料电池的基本构造 490

9.1.4 燃料电池系统及其应用 492

9.1.5 燃料电池中的材料 495

9.2 中低温燃料电池中的电解质材料 496

9.2.1 质子交换膜 496

9.2.2 高温质子交换膜 501

9.2.3 DMFC 中的质子交换膜 504

9.2.4 AFC 中的电解质 509

9.2.5 电极和电催化剂 514

9.3 气体扩散层 526

9.4 双极板 529

9.4.1 双极板材料 529

9.4.2 双极板的流场设计 533

9.5 固体氧化物燃料电池中的材料 535

9.5.1 固体氧化物电解质 535

9.5.2 电极 539

参考文献 542

第10章 加氢站中的关键设备材料 544

10.1 加氢站概述 544

10.2 隔膜压缩机 548

10.2.1 膜片材料 551

10.2.2 柱塞系统材料 558

10.2.3 螺栓材料 563

10.2.4 气缸以及配气盘材料 569

10.2.5 密封材料 572

10.3 加氢机 582

10.3.1 阀门材料 585

10.3.2 加氢机软管材料 593

10.4 加氢站高压管路材料 596

10.5 加氢站的储罐材料 599

10.5.1 加氢站中气态氢储罐材料 600

10.5.2 加氢站中液态氢储罐材料 602

10.6 本章总结 605

参考文献 606

第11章 氢气传感器材料 609

11.1 氢气传感器基本原理、敏感材料及种类 609

11.1.1 氢气传感器基本原理 609

11.1.2 氢气传感器敏感材料 609

11.1.3 氢气传感器的种类 610

11.2 半导体型氢气传感器 612

11.2.1 传感器原理和结构 612

11.2.2 敏感材料及发展现状 613

11.3 催化型传感器 618

11.3.1 传感器原理和结构 618

11.3.2 敏感材料及发展现状 618

11.4 电化学型传感器 619

11.4.1 传感器原理和结构 619

11.4.2 敏感材料及发展现状 620

11.5 热导型氢气传感器 621

11.6 光学型传感器 621

11.6.1 传感器原理和结构 621

11.6.2 敏感材料及发展现状 624

11.7 声学型传感器 637

参考文献 638

第12章 氢冶金和氢还原 645

12.1 氢冶金的发展 645

12.2 直接还原铁 648

12.2.1 氢气直接还原铁 648

12.2.2 气基直接还原铁工艺 650

12.3 直接还原铁的机理和特点 656

12.3.1 氢基竖炉内主要反应 656

12.3.2 氢还原铁的特点 656

12.3.3 直接还原铁成品的性能分析 658

12.4 常规高炉的氢冶金 660

12.4.1 高炉富氢冶炼技术开发 660

12.4.2 高炉氢冶金 661

12.4.3 混氢冶金和全氢冶金 662

12.4.4 熔盐中的直接还原 664

12.5 氢还原热力学和动力学 665

12.5.1 O2 分压和H2 O 分压的影响 665

12.5.2 氢直接还原热力学 667

12.5.3 CO 或H2 还原的区别 671

12.5.4 氢还原和铁的形成过程 673

12.6 氢等离子体还原 676

12.6.1 两种还原模式 676

12.6.2 氢等离子体熔炼还原 678

12.6.3 微波辅助低温氢等离子体 681

12.7 有色金属氧化物的氢直接还原 683

12.7.1 氧化钨还原 683

12.7.2 氧化钼还原 684

12.7.3 镍氧化物还原 685

12.7.4 稀有金属氧化物 686

12.7.5 氢辅助镁热还原TiO2 687

12.7.6 氢等离子体在金属氧化物还原中的应用 689

12.8 氢冶金的研究动态 690

12.8.1 日本和韩国 692

12.8.2 欧洲 694

12.8.3 美国 695

12.8.4 中国 696

12.8.5 氢冶金的发展和面临的问题 698

12.9 氢气在其他材料制备领域的应用 699

12.9.1 氢气氛下材料热处理和烧结 699

12.9.2 超高纯多晶硅的制备 702

12.9.3 氢致金属非晶化 704

12.9.4 氢致歧化和HDDR 706

参考文献 710

第13章 其他与氢相关材料 716

13.1 生物学氢材料 716

13.1.1 生物医学 716

13.1.2 农学 723

13.2 保健相关氢材料 724

13.2.1 水素水（富氢水） 724

13.2.2 吸氢机 725

13.2.3 其他类型氢产品 726

13.3 军用含能材料 726

13.3.1 三氢化铝 727

13.3.2 镁基储氢材料 731

13.3.3 其他储氢材料 732

参考文献 732

第14章 氢环境下的材料安全 735

14.1 临氢材料的安全问题 735

14.1.1 氢气的安全性 735

14.1.2 材料的安全性 737

14.2 材料机械性能和破坏 738

14.2.1 材料的变形和断裂破坏 738

14.2.2 磨损、时效、蠕变和疲劳破坏 739

14.3 腐蚀引起的破坏 741

14.3.1 根据腐蚀机理分类 741

14.3.2 根据腐蚀形态分类 742

14.3.3 氢损伤 744

14.4 材料的氢脆 748

14.4.1 氢脆现象 748

14.4.2 氢脆的种类 749

14.4.3 氢在金属中的存在状态 751

14.4.4 氢脆机理 754

14.4.5 不同材料的氢脆 758

14.4.6 常涉及氢脆的一些场合 775

14.4.7 氢脆的预防 777

14.5 氢气泄漏和密封材料 778

14.5.1 高压氢气泄漏 779

14.5.2 氢气泄漏与密封材料损坏 780

14.5.3 密封材料 782

14.5.4 气密性的检测方法 787

14.6 高压氢气与材料破坏 788

14.6.1 一般工业钢瓶 788

14.6.2 高压氢气复合容器 789

14.6.3 高压储氢容器的安全检测 791

14.7 液态氢气与材料低温冷脆 793

14.7.1 液态氢气及安全 793

14.7.2 冷却氢气的特性 795

14.7.3 材料的低温冷脆 796

14.7.4 液氢使用时的材料选择 799

14.8 储氢材料的安全问题 799

14.8.1 金属氢化物的着火和燃烧 799

14.8.2 粉尘爆炸的危险性 800

14.8.3 高温引起的高压 802

参考文献 802