氢与氢能PDF电子书下载

第1章 氢能源与氢经济 1

1.1世界经济和能源 1

1.2各国能源消耗和我国能源消耗的特点 5

1.3世界能源资源和开发状况 12

1.4 CO2排放和环境问题 19

1.5氢能的特点和利用形式 23

1.6氢气的供给 26

1.7氢能的利用形式 29

1.8可再生能源与氢能源 34

1.9氢能源研究的发展与各国氢能源研究动态 41

参考文献 46

第2章 氢的基本性质 48

2.1氢的基本性质概述 48

2.1.1氢原子的性质 48

2.1.2氢气的分子结构和物理性质 51

2.2氢的反应 58

2.2.1氢的核聚变反应 58

2.2.2氢气的制备 68

2.2.3氢的化学性质 70

2.3氢化物 76

2.3.1概述 76

2.3.2含氢化合物的命名 77

2.3.3碱金属和碱土金属氢化物 77

2.3.4其他主族元素氢化物 78

2.3.5铝氢化物和硼氢化物 85

2.3.6二元合金氢化物 87

2.3.7氢化物研究的常用方法 90

2.4氢和物质的相互作用 92

2.4.1氢对材料力学性能的破坏 92

2.4.2氢对材料能带结构的影响 94

参考文献 96

第3章 氢气制备 98

3.1化石燃料制氢 98

3.1.1原理 98

3.1.2现状 99

3.2电解水制氢 102

3.2.1原理 102

3.2.2现状 102

3.3生物质制氢 105

3.3.1光合生物制氢 105

3.3.2生物发酵制氢 108

3.4光催化制氢 112

3.4.1原理 112

3.4.2光催化制氢反应器 113

3.4.3制氢光催化剂的分类以及性能 114

参考文献 122

第4章 氢分离和提纯 125

4.1氢分离提纯方法 125

4.2变压吸附 126

4.3膜分离 126

4.3.1高分子膜分离 128

4.3.2二氧化硅膜 129

4.3.3沸石膜 129

4.3.4金属透氢膜 130

4.4本菲尔法 138

4.5深冷分离 139

4.5.1冷凝法 139

4.5.2膨胀机法 140

4.6重氢的分离 140

4.6.1氢同位素的特性 140

4.6.2重氢的核聚变反应 141

4.6.3重氢提纯回收 142

4.6.4氢同位素的分离浓缩 145

参考文献 150

第5章 高压储氢 153

5.1高压氢气的压缩 153

5.1.1氢气的压缩因子 153

5.1.2高压氢气的压缩方式 154

5.2氢气的加注 155

5.3高压储氢容器 156

5.3.1高压储氢容器的发展 156

5.3.2轻质高压储氢容器的设计 158

5.4高压储氢的风险评估和检测试验 161

5.4.1高压储氢的使用风险 161

5.4.2高压储氢容器的风险评估 161

5.4.3高压储氢使用的标准 163

5.4.4高压储氢的安全性能检测试验 163

5.5高压储氢的风险控制 163

5.5.1氢气加注过程中的风险控制 163

5.5.2高压储氢容器的风险控制 163

5.5.3运输与车用储氢设备的风险控制 164

5.6高压储氢的应用 164

5.6.1运输用大型高压氢气容器 164

5.6.2蓄气站大型高压氢气容器 165

5.6.3燃料电池车用高压储氢 165

参考文献 166

第6章 液态储氢及应用 167

6.1液态储氢简介 167

6.1.1液态储氢适用条件 167

6.1.2正-仲氢转化 167

6.2液态氢的生产 168

6.3液态氢的存储 171

6.3.1液氢存储的热学分析 171

6.3.2液氢设备的绝热材料 171

6.3.3液氢储罐 172

6.4液氢的运输 175

6.4.1常温容器加注液氢的冷却特性 175

6.4.2液氢的输送方式 177

6.4.3液氢储藏型加氢站 178

6.5液氢的应用 180

6.5.1液氢在航空航天领域的应用 180

6.5.2液氢在汽车领域的应用 181

6.5.3液氢的其他应用 186

6.6液氢的安全性 186

6.7展望 187

参考文献 188

第7章 物理吸附储氢材料 189

7.1气体吸附原理及物理储氢的特点 189

7.1.1吸附等温线的类型 189

7.1.2吸附等温方程 190

7.1.3额外吸附量与总吸附量 191

7.2碳材料的发展及储氢性能 191

7.2.1活性炭 192

7.2.2碳纤维 192

7.2.3碳纳米管 193

7.2.4石墨烯及石墨烯型材料 194

7.2.5碳材料的开发与研究前景 195

7.3金属有机骨架材料的储氢性能 195

7.3.1结构的设计合成及储氢性质研究现状 195

7.3.2与氢气作用机理 198

7.3.3储氢性能的影响因素和发展方向 201

7.4微孔高分子的储氢性能 203

7.4.1 PIM类型的微孔高分子 203

7.4.2超高交联型微孔高分子 204

7.5 3种物理吸附材料的比较 207

参考文献 207

第8章 储氢合金和金属氢化物 209

8.1储氢合金的工作原理和设计 209

8.1.1储氢合金简介 209

8.1.2储氢合金的历史发展及现状 209

8.1.3储氢合金的工作原理 211

8.1.4储氢合金的设计与评价 216

8.2稀土储氢材料 218

8.2.1 LaNi5基AB5型储氢材料 218

8.2.2混合稀土储氢材料 223

8.2.3非AB5型Re-Mg-过渡金属储氢材料 226

8.3 Mg和MgH2基储氢材料 230

8.3.1镁单质储氢材料 230

8.3.2 Mg-Ni体系储氢材料 236

8.3.3 Mg-Co体系储氢材料 241

8.3.4 Mg-Fe-H体系以及其他镁基储氢材料 242

8.4 Ca和CaH2基储氢材料 244

8.4.1 CaH2 244

8.4.2 Ca-Ni-M体系 244

8.4.3其他Ca基合金储氢材料 247

8.5 Ti基合金储氢材料 247

8.5.1 Ti-Fe基合金体系 249

8.5.2 Ti-Co基合金体系 250

8.5.3 Ti-Mn基合金体系 250

8.5.4 Ti-Cr基合金体系 251

8.5.5 Ti-Ni基合金体系 252

8.6 V基体心立方固溶体合金储氢材料 252

8.6.1 V-Ti-Fe合金体系 254

8.6.2 V-Ti-Ni合金体系 255

8.6.3 V-Ti-Cr合金体系 255

8.7 Zr基合金储氢材料 256

8.7.1 Zr-V基合金体系 257

8.7.2 Zr-Cr基合金体系 257

8.7.3 Zr-Mn基合金体系 257

8.8 Pd基固溶体储氢材料 258

8.9纳米材料尺寸效应与形貌对储氢材料性能的影响 259

8.9.1纳米结构储氢材料研究背景 259

8.9.2纳米结构储氢材料制备方法 260

8.9.3纳米结构储氢材料的性能 262

8.9.4特殊纳米形貌对储氢性能的影响 264

8.10纳米薄膜材料的储氢性能研究 268

8.10.1纳米薄膜材料的储氢研究 268

8.10.2薄膜的氢致光变特性 269

参考文献 275

第9章 无机非金属储氢材料 284

9.1氢与氢化物 284

9.2无机非金属氢化物 285

9.2.1基本特征 285

9.2.2电子结构和成键特性 286

9.2.3吸放氢反应机理（与金属氢化物相比较） 287

9.3配位铝氢（Al-H）化物 289

9.3.1合成方法 289

9.3.2晶体结构 289

9.3.3吸放氢性能 293

9.3.4掺杂的配位铝氢化物 296

9.4金属氮氢（N-H）化物 299

9.4.1合成方法 299

9.4.2晶体结构 300

9.4.3吸放氢性能 302

9.5金属硼氢（B-H）化物 309

9.5.1合成方法 309

9.5.2晶体结构 310

9.5.3吸放氢性能 313

9.5.4吸放氢性能改善 318

9.6氨硼烷（NH3 BH3）及其衍生物 323

9.6.1氨硼烷化合物储氢材料的特点以及合成方法 323

9.6.2氨硼烷化合物储氢体系和放氢性能改善 324

9.6.3氨硼烷化合物及其衍生物储氢材料的研究与发展 333

参考文献 335

第10章 其他储氢材料 341

10.1水合物储氢技术 341

10.1.1气体水合物的晶体结构 341

10.1.2气体水合物储氢 343

10.1.3水合物储气量的一般计算方法 345

10.2有机液体氢化物储氢技术 346

10.2.1有机液体氢化物储氢技术原理和特点 346

10.2.2有机液体氢化物储氢技术的关键问题 347

10.3空心玻璃微球高压储氢技术 348

10.3.1玻璃微球储氢原理 348

10.3.2玻璃微球的储氢效率和存在的主要问题 349

10.4铝水反应制氢储氢技术 349

10.4.1铝水反应制氢储氢机理 349

10.4.2铝水反应实用化反应器及其应用展望 350

参考文献 351

第11章 储氢材料的计算模拟 353

11.1储氢材料计算模拟背景 353

11.2储氢材料计算模拟的理论基础 354

11.2.1基于密度泛函理论的第一性原理 354

11.2.2固体结构计算方法和模型 355

11.2.3分子动力学方法 356

11.2.4 Monte Carlo方法 358

11.3储氢材料计算软件简介 360

11.3.1 VASP 360

11.3.2 Materials Studio 361

11.3.3 Gaussian 361

11.3.4其他常见软件简介 362

11.4储氢材料计算研究进展 362

11.4.1金属型氢化物和多元络合氢化物 363

11.4.2化学氢化物储氢材料 366

11.4.3吸附储氢材料 367

11.4.4其他固体储氢材料 368

参考文献 370

第12章 镍氢电池 373

12.1概述 373

12.1.1电化学理论基础 373

12.1.2化学电源的发展历史 376

12.1.3镍氢电池的工作原理和特点 377

12.2镍氢电池的组成 378

12.2.1正极材料 378

12.2.2负极材料 383

12.2.3辅助材料 392

12.3镍氢电池的开发与应用 394

12.3.1镍氢电池的开发现状 394

12.3.2镍氢电池的应用 395

参考文献 396

第13章 燃料电池 398

13.1燃料电池概述 398

13.2碱性燃料电池 403

13.2.1概述 403

13.2.2电池构造 404

13.2.3操作条件对电池性能的影响 408

13.2.4研究现状、问题及前景 408

13.3高聚物电解质膜燃料电池 410

13.3.1概述 410

13.3.2电池结构 411

13.3.3水管理 418

13.3.4 PEMFC的应用 418

13.4直接甲醇燃料电池 419

13.4.1概述 419

13.4.2甲醇的催化电氧化 420

13.4.3甲醇渗漏 422

13.4.4 DMFC应用 425

13.5磷酸燃料电池 426

13.5.1概述 426

13.5.2电池结构 427

13.5.3运行条件对性能的影响 429

13.5.4 PAFC的冷却系统 430

13.5.5磷酸燃料电池的应用 430

13.6熔融碳酸盐燃料电池 432

13.6.1概述 432

13.6.2电池结构 432

13.6.3 MCFC的应用 434

13.7固体氧化物燃料电池 436

13.7.1概述 436

13.7.2电解质 436

13.7.3电极 441

13.7.4密封材料 444

13.7.5 SOFC的结构 445

13.7.6 SOFC的应用 447

13.8其他燃料电池 448

13.8.1直接醇类燃料电池 448

13.8.2硼氢化钠燃料电池 449

13.8.3微生物燃料电池 449

13.9燃料电池系统 450

13.10燃料电池的成本和开发 452

13.10.1成本分析 452

13.10.2燃料电池的开发 453

13.11燃料电池的应用 455

参考文献 456

第14章 金属氢化物储氢装置与技术 460

14.1金属氢化物储氢容器 460

14.1.1金属氢化物储氢容器储氢原理 460

14.1.2储氢容器的分类及优缺点 461

14.1.3金属氢化物储氢容器的应用范围 464

14.1.4储氢材料的填充 466

14.1.5储氢容器的密封 470

14.2高压及金属氢化物复合储氢容器 470

参考文献 474

第15章 氢能源汽车 476

15.1氢内燃机汽车 476

15.1.1氢内燃机概述 476

15.1.2氢内燃机工作原理 476

15.1.3氢气燃烧的特性 478

15.1.4氢内燃机汽车的结构系统 479

15.1.5氢内燃机的热效率和输出功率 482

15.1.6氢内燃机的技术难点和解决办法 483

15.1.7氢混合燃料内燃机 484

15.1.8氢内燃机汽车的发展状况 485

15.2燃料电池汽车 490

15.2.1燃料电池汽车概述 490

15.2.2燃料电池汽车特点 490

15.2.3燃料电池汽车工作原理 491

15.2.4燃料电池汽车结构系统 492

15.2.5燃料电池汽车的发展状况 494

参考文献 502

第16章 加氢站 503

16.1加氢站的基本组成系统 503

16.1.1压缩系统 504

16.1.2储藏系统 505

16.1.3加注系统 506

16.2各种类型加氢站简介 507

16.2.1燃料重整型加氢站 508

16.2.2水电解型加氢站 512

16.2.3液氢储藏型加氢站 514

16.2.4压缩氢储藏型加氢站 515

16.2.5移动加氢站 515

16.3加氢站与加氢站网络建设 517

参考文献 518

第17章 氢气与材料制备和改性 519

17.1氢脆 519

17.1.1氢在钢铁中的固溶和性能 519

17.1.2氢脆模型 523

17.1.3不同材料的氢脆 524

17.1.4氢脆机理以及氢致滞后断裂 528

17.1.5氢脆的防止 530

17.2金属间化合物氢致非晶化 531

17.2.1金属间化合物的氢气吸收和非晶态化 531

17.2.2氢气吸收非晶态化的金属间化合物成分和晶体结构特点 532

17.2.3氢气吸收非晶态化的机理 534

17.2.4氢致非晶态化化合物的热稳定性 535

17.3 HD和HDDR现象以及微观组织调控 536

17.3.1稀土永磁材料的HD现象 536

17.3.2稀土永磁材料的HDDR现象 537

17.3.3氢气处理引起的钛基材料的晶粒微细化以及性质的提高 540

17.3.4 Nb3M（M=Al、Si、Ge、In）粉体的制备 542

17.3.5镍氢电池合金粉体的制备 543

17.3.6氢气吸收与多孔金属的形成 543

17.4氢等离子体法制备纳米材料 545

17.4.1简介 545

17.4.2设备及其工艺 546

17.4.3纳米颗粒形成机理和长大过程 546

17.4.4影响纳米颗粒制备的因素 547

17.4.5氢等离子体制备的纳米颗粒大小和形貌 548

17.4.6金属合金以及无机非金属纳米颗粒的制备 548

17.4.7氢等离子体制备不同形态的纳米结构物质 550

17.5磁学性质 551

17.5.1吸氢所引起的磁矩大小变化 551

17.5.2交换相互作用 554

17.5.3磁各向异性 554

17.5.4储氢合金氢化物的磁学性质 555

17.6超导MgB2的制备 558

17.6.1 MgB2超导化合物 558

17.6.2传统的MgB2超导薄膜制备 559

17.6.3 Mg（BH4）2分解制备MgB2超导薄膜 560

参考文献 561

第18章 氢气的安全性 564

18.1氢气安全的基础知识 567

18.2氢气的燃烧和爆炸性能 568

18.3高压氢气和液态氢气的危险性 574

18.3.1高压氢气的危险性 574

18.3.2液态氢气的危险性 575

18.4氢脆引起的设备安全问题 577

18.5储氢合金的安全问题 578

18.6氢燃料电池汽车的安全问题 580

18.6.1高压保护系统 580

18.6.2氢气泄漏检测 580

18.6.3氢燃料电池汽车的相对安全性 581

18.7氢气泄漏检测方法和氢气检测器 581

18.8一般安全的对策 583

参考文献 585

第19章 基本数据 587

19.1氢元素、能源与环境 587

19.2氢气燃料的基本特性 588

19.3氢气的物理和化学性质 589

19.4氢气扩散 593

19.5氢化物分类 596

19.6储氢材料性质比较 597

19.7相图和PCT曲线 599

19.8氢化物晶体结构 612

19.9储氢材料热力学 615

19.10蓄热合金 618

19.11氢能源汽车 619

参考文献 624