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氢与氢能李星国等编著机 械 工 业 出 版 社氢能源被视为重要的清洁可再生能源，受到世界各国的高度重视，相关研究成为了能源科学领域的一个热点。本书分 19 章，围绕着氢能的基础知识、科学与技术、最新研究成果和动态、基本信息等内容进行了介绍。第 1 2 章介绍为什么现在氢和氢能源受到了关注，氢气是什么，具有哪些基本性质；第 3 11 章介绍氢气在使用中涉及的一些关键环节，如氢气的制备、分离、输运、储氢（分子储氢和原子或离子态储氢）；第12 16 章介绍氢气的使用领域以及如何使用氢，包括目前最关心的镍氢电池、氢内燃机及汽车、燃料电池以及氢动力汽车、加氢站；第 17 18章介绍氢气与材料的关系以及氢气的安全问题；第 19 章收集了一些相关数据。本书作为一本有价值的氢与氢能参考书籍，可使读者能够较全面和深入地认识氢气和氢能。本书读者对象为化工、电子、冶金、能源、宇航、交通等领域与氢能源使用和研究相关的学生、研究者、工程技术人员、科研管理人员。图书在版编目（CIP）数据氢与氢能/李星国等编著.北京：机械工业出版社，2012.6ISBN 978-7-111-38715-2.氢.李.氢基本知识氢能基本知识.0613.2TK91中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 122355 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：朱 林 责任编辑：朱 林版式设计：刘怡丹封面设计：杨 曦霍永明 责任校对赵颖喆 责任印制2012 年 9 月第 1 版第 1 次印刷184mm 260mm39.25 印张987 千字00012500册标准书号：ISBN 978-7-111-38715-2定价：99.80元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066教材网：http：/销 售 一 部：（010）68326294机工官网：http：/销 售 二 部：（010）88379649机工官博：http：/ 和RNA 的解析等的认识都和氢紧密相连。这段时期人类是对氢好奇，也积极通过氢来认识自然，而今天人类对氢重新展现的热情更多的则是被动的，是被能源资源枯竭和环境恶化所逼迫的。当今化石燃料已日趋枯竭，这直接威胁到工业文明所取得的所有成就，人类期待一种新的清洁、可再生能源的诞生，它能令人类辛辛苦苦创建的文明得以延续。这时人类又想到了氢，期待当一滴石油也没有、当化石燃料枯竭的时候，氢能源能够拯救人类。21 世纪初美国经济强盛，布什总统把氢能源视为是同时解决能源资源危机和环境危机的最佳途径，大幅度增加了对氢能源研究开发的投入，此举是要使氢能源成为美国经济的又一个助推器，并以此领导下一次工业革命，力争确保美国在能源领域的主导权。然而研究进展并没有期待的那么顺利，奥巴马就职后就削减了氢能源开发投入，一方面是出于技术上的考虑，一方面也是经济状况所迫。其实氢能源既不像布什时代所期待的那样很快就能够来临，也不像奥巴马所想象的那样绝望，现在人类的智慧是可以利用它，让它服务于人类的。如果我们要想对我们后代保证氢经济是有望实现的现实，并给后代留下一份有价值的遗产的话，那么我们就有必要今天做出正确的选择。虽然氢经济时代没有想象的那样迅速到来，但是氢气和氢能源已经是一个很大的产业，涉及到了化工、电子、冶金、能源、宇航、交通等很多领域，而且其规模在不断发展，会带来更大的经济效益和社会效益。氢与氢能相关的研究竞争十分激烈。目前国内已经有了一些关于氢和氢能方面的书籍，但往往仅涉及某一特定的领域，需要增补最新内容。我们希望编著一本关于氢与氢能的综合性参考书，涵盖氢能利用过程中涉及的诸多科学技术问题，包括氢气的制备、存储、运输、安全以及氢能的利用方式等；并对相关的科学背景，包括氢的物理化学性质、氢与物质的相互作用等做了深入的讨论。在编著过程中，我们努力做到：内容新，去除比较陈旧的内容，补充最新的研究成果以及研究动态，反映最新的氢能源相关知识和信息；内容丰富，从氢的能源特征和研究背景、氢气的基本特性、制氢、氢气分离、储氢、运输、使用、安全等方面进行介绍，基本上包括了氢能源相关的所有领域，通过本书能够整体理解氢气和氢能源；利用图表等形式整理大量的数据，便于阅读人员理解和参考；便于阅读理解，写作简练易懂。如果本书能够达到此目的，为广大的读者提供有益的信息的话，我们将感到十分欣慰。本书分 19 章，第 1、17、18 章和 19 章由李星国（北京大学）撰写，第 2 章和第 13章由郑捷（北京大学）撰写，第 3 章由刘洋（北京联合大学）撰写，第 4 章由罗伟民（中科院广州能源所）撰写，第 5 章由谢镭（北京大学）撰写，第 6 章和第 10 章由杨鋆智（北京大学）撰写，第 7.1 和 7.2 节由宋萍（北京大学）撰写，第 7.3，7.4，7.5 节由李瑶琦（北京科技大学）撰写，第 8.1 8.5 节由邵怀宇（日本九州大学）撰写，第8.6 8.8 节由张旋洲（北京大学）撰写，第 8 章 9、10 节由曲江兰（北京大学）撰写，第 9.1 9.5 节由李海文（日本九州大学）、严义刚（瑞士联邦材料科学与技术研究所）撰写，第 9.6 节由李瑶琦（北京大学）撰写，第 11 章由张国庆（北京大学）撰写，第12 章由杨容（北京大学）撰写，第 14 章由余学斌（复旦大学）撰写，第 15 章由刘彤（北京航空航天大学）撰写，第 16 章由杨君友（华中科技大学）撰写。编写本书需要感谢北京大学化学学院新能源与纳米材料实验室的辛恭标、李伟、付赫、贺蓓、危苏昊、楼宇、何鹏、苗晓斐、宋尔东、梅洁、李关乔、李涤尘和范欣欣等同学的帮助。同时感谢机械工业出版社牛新国、朱林编辑的帮助，感谢家人的支持。由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，希望读者予以批评指正。作 者2011.8氢 与 氢 能目录前言第 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 CaH2244 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氢 与 氢 能 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