1、国际电气工程先进技术译丛太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统 氢经济时代的科学和技术意加布里埃莱齐尼（Gabriele Zini）保罗塔塔里尼（Paolo Tartarini）著李朝升 译机 械 工 业 出 版 社 太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统是一种替代当前基于化石能源集中式能源系统的有效、可靠、持续、独立的系统。该系统利用不同的能源转换技术，将太阳能等可再生能源转换为氢能并加以存储，然后利用燃料电池转化为电能或者直接作为燃料燃烧。本书结合可再生能源的转换、存储和利用技术，给读者介绍了太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统的建模、运行和实施。本书讨论了太阳能光伏、风力发电、电解、燃料电池
2、、传统和先进储氢等技术，并对系统管理和输出性能进行评估。还列举了现实生活中的装置实例来说明这些系统无需化石能源而能独立地供应能源。本书可供从事新能源行业的科研人员使用，也可作为高等院校新能源相关专业学生的参考书。原书序可再生能源在未来的能源中将发挥非常重要的作用。这是我在法国国家太阳能研究所（INES）下属的太阳能系统实验室开展工作的驱动力，这也是 GabrieleZini 选择在同一个团队中研究光伏系统的原因。随着光伏组件和系统的价格降低，欧洲南部的一些地区已经开始达成市电平价，这意味着太阳能发电销售价格已经可以与传统电力竞争。在未来十年，太阳能光伏发电甚至能够与许多地区的传统电力竞争。风力
3、发电的应用也有类似的发展趋势。然而，可再生能源与传统能源之间的巨大差异会成为市场障碍。太阳能系统只能在阳光灿烂时产生能源。风能随风速的变化而变化。因为没有工具来控制它们，所以传统电力运营商，特别是在法国，往往把可再生能源称为“致命的”能源来源。在可再生能源的市场渗透性很低的时候，这些波动是无关紧要的。然而，一旦可再生能源入网，需要创新性的解决方案以确保给客户提供可靠的电力供应。这对于岛屿上的能源供应非常重要；对于我们今天可以看到像德国这样可再生能源渗透性高的大陆电网也是至关重要的。第一个解决方案可能是提供大规模的太阳能发电与电力需求来匹配。然而，这对于整体电力需求是无法完成的。而且实现匹配快速
4、波动的需求是更加困难的。这就是为什么我们要准备解决问题的第二套方案 储能一体化。氢能便于能源存储和运输，是一种很有前途的存储选择。这是本书正在探索和作者多年来一直在研究的内容。我确信读者可以在这里找到关于氢能可再生能源系统的有趣简介。我也相信读者会发现氢能是能提高可再生能源市场渗透率的一个有趣工具。Jens Merten国家太阳能研究所（INES）太阳能系统实验室主任前言化石能源完全枯竭或者成本过高难以开采，只是时间问题。如果延续这种趋势，化石能源时代终将要画上句号。人类面临的问题除了化石能源日益减少之外，还有燃料在开采、运输、加工和使用过程中所引起的环境污染问题，这就是我们为什么必须尽快找寻
5、到解决当前现状的措施，从而尽快进入新能源时代的原因。氢能被视为在这个历史过渡期间最可能充当领导角色的候选者之一。毋庸置疑，不能通过化石能源来提供制备氢气所需要的能量。因此，有必要求助于取之不尽、用之不竭、环境影响尽可能小的可再生能源。在可再生能源当中，作者认为太阳能是最佳的选择之一，其原因将在本书中进行阐述。本书共分为 11 章来给读者展示太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统的运行和实施的最新知识。该系统结合不同的技术，有效、协调地将可再生能源转换为化学能并以氢的形式储存起来，然后转化为更容易利用的能源形式 电能。本书第 1 章介绍了以氢为基础的新能源系统相关的宏观经济、技术和历史。第 2 章
6、介绍了氢的理化性质、生产、应用以及用于氢储存和运输材料的失效现象和相容性。第 3 章详细探讨了电解槽和燃料电池的性能和建模。第 4 章和第 5 章分别描述了光伏和风能的技术基础。第 6 章讨论了其他潜在可用于制氢的可再生能源。第 7 章阐述了另一个重要问题的全过程：氢存储。第 8 章提供了许多关于在标准电池和其他更先进电池替代品中化学存储的相关信息。第 9 章详细讨论了实际实现氢气的完整系统和利用数学模型模拟系统的性能。第 10 章列举了现实生活中一些很有趣的应用实例。第 11 章给出了最终结论。在每章的末尾为进一步探讨该主题的读者列出了相关参考文献。本书的目标是与大家分享太阳能制氢的能量转换
7、、储存及利用系统的科学和技术，并帮助建立一个新的可持续能源经济。我们希望我们将会成功。非常感谢西蒙娜佩得拉茨（Simone Pedrazzi）为本书部分模型和模拟提供的帮助，感谢意大利维基董事会秘书安德列赞尼（Andrea Zanni）帮助正确使用来自维基媒体数据库知识共享（Creative Commons）授权图片。作者还要感谢 Pei-Shu Wu 的翻译和编辑，大大提高了本书定稿的质量。最后，我们还要感谢施普林格意大利公司的 Francesca Bonadei、Maria Cristina Aco-cella 和 Pierpaolo Riva 在本书最终出版阶段给予的帮助！Gabriel
8、e ZiniPaolo Tartarini前 言缩略语AC Alternate Current，交流电Activated Carbon，活性炭AE Alkaline Electrolyser，碱性电解剂AFC Alkaline Fuel Cell，碱性燃料电池BET Brunauer-Emmett-Teller，布鲁诺尔-艾米特-泰勒BoS Balance of System，系统平衡CAESCompressed Air Energy Storage，压缩空气储能CHP Combined Heat and Power，热电联产COP Coefficient of Performance，性能系
9、数DC Direct Current，直流电DL Double Layer，双电层DOE Department of Energy，能源部EDL Electrical Double Layer，双电荷层EL Electrolyser，电解剂FC Fuel Cell，燃料电池FF Filling Factor，填充因子GHG Greenhouse Gas，温室气体HA Hydrogen Attack，氢蚀HC Hydrocarbon，碳氢化合物HCV Higher Calorific Value，高发热值HE Hydrogen Embrittlement，氢脆HFL Higher Flammab
10、ility Limit，较高的可燃性极限HHV Higher Heating Value，高热值HTE High Temperature Electrolysis，高温电解HTS High Temperature Shift，高温变换IEA International Energy Agency，国际能源署IEC International Electrotechnical Commission，国际电工委员会LCV Lower Calorific Value，低发热值L-F Langmuir-Freundlich（equation），朗格缪尔-弗罗因德利希（方程）LFL Lower Flam
11、mability Limit，较低的可燃性极限LHV Lower Heating Value，低热值LIB Lithium-Ion Battery，锂离子电池LTS Low Temperature Shift，低温变换MCFCMolten Carbonate Fuel Cell，熔融碳酸盐燃料电池MCP Measure，Correlate，Predict，测量、校准、预测MPPTMaximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪MWCNTMulti-Wall Carbon Nano-Tube，多壁碳纳米管NBP Normal Boiling Point，标准沸点OTECO
12、cean Thermal Energy Conversion，海洋温差发电PAFCPhosphoric Acid Fuel Cell，磷酸燃料电池PDF Probability Distribution Function，概率密度函数PEM Proton Exchange Membrane，质子交换膜Polymer Electrolyte Membrane，高分子电解质膜PEMFCProton Exchange Membrane Fuel Cell，质子交换膜燃料电池Polymeric Electrolyte Membrane Fuel Cell，高分子电解质膜燃料电池PLC Programm
13、able Logic Controller，可编程序控制器PM Particulate Matter，颗粒物质PME Polymeric Membrane Electrolyser，高分子膜电解槽PV Photovoltaic，光伏QoS Quality of Service，服务质量RES Renewable Energy Source，可再生能源SHC Specific Heat Capacity，比热容SHE Standard Hydrogen Electrode，标准氢电极SHESSolar Hydrogen Energy System，太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统SMESSu
14、perconducting Magnetic Energy Storage，超导磁蓄能SMR SteaM Reforming，蒸气重整STP Standard Temperature and Pressure，标准温度和压力SOC State Of Charge，充电状态SOFC Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池SPE Solid Polymer Electrolyser，固体聚合物电解槽SRC Specific Rated Capacity，比额定容量SWCNTSingle-Wall Carbon Nano-Tube，单壁碳纳米管缩 略 语TM Trademar
15、k，商标TSR Tip-Speed Ratio，叶尖速比UC Ultra-Capacitor，超级电容器UPS Uninterruptible Power Supply，不间断电源USD United States Dollar，美元VRB Vanadium Redox Battery，钒电池VRLAValve Regulated Lead-Acid，阀控铅酸太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统目录原书序前言缩略语第 1 章 绪论1 1.1 现状1 1.2 石油峰值理论1 1.3 能源的种类以及对环境的影响3 1.4 能源系统的可持续性5 1.5 氢新能源系统6 1.6 前景6 1.7 氢能的
16、替代品8 参考文献8第 2 章 氢10 2.1 氢气和能源载体10 2.2 性质11 2.3 生产12 2.3.1 蒸汽重整13 2.3.2 固体燃料汽化13 2.3.3 部分氧化14 2.3.4 电解水14 2.3.5 热裂解14 2.3.6 氨裂解15 2.3.7 其他体系：光化学、光生物学、半导体及它们的组合15 2.4 用法16 2.4.1 直接燃烧16 2.4.2 催化燃烧19 2.4.3 直接燃烧蒸汽法19 2.4.4 燃料电池19 2.5 退化现象和材料兼容性19 2.5.1 材料退化19 2.5.2 材料选择20 2.6 配件：管道、接头和阀门21 2.7 传输21 参考文献23第 3 章 电解槽和燃料电池24 3.1 引言24 3.2 化学动力学25 3.3 热力学25 3.4 电极动力学27 3.4.1 活化极化27 3.4.2 欧姆极化27 3.4.3 浓差极化28 3.4.4 反应极化28 3.4.5 转移极化29 3.4.6 输运现象29 3.4.7 温度和压力对极化损耗的影响29 3.5 电池的能量和效用能29 3.6 电解槽30 3.6.1 电解槽的功能3
