氫能材料

第1章　氫氣的基本特性  1
1.1　氫的形成、存在和發(fā)現(xiàn)  1
1.1.1　氫在宇宙中的分布  1
1.1.2　氫氣的發(fā)現(xiàn)  4
1.2　氫原子及同位素  6
1.2.1　氫原子  6
1.2.2　氫的同位素  7
1.2.3　核聚變反應的原理  9
1.3　氫分子的結構及物理性質  13
1.3.1　H2 的結構  13
1.3.2　H2 的核自旋異構體  14
1.3.3　氣態(tài)氫氣  15
1.3.4　氣體方程  18
1.3.5　液態(tài)氫和固態(tài)氫  21
1.3.6　金屬氫  22
1.4　氫的化學性質  23
1.4.1　氫原子的電子結構和成鍵特征  23
1.4.2　氫的化學反應  24
1.4.3　氫化物  27
1.5　氫氣的能量  32
1.5.1　氫氣的高熱值和低熱值  32
1.5.2　與液態(tài)燃料的比較  35
1.5.3　世界各國對氫氣能量的研究動態(tài)  37
1.5.4　推動氫能發(fā)展的四個因素  40
1.6　氫氣與材料的相關性  41
1.6.1　制氫新材料  42
1.6.2　氫氣分離和提純新材料  43
1.6.3　氫氣儲運新材料  44
1.6.4　氫能利用領域的新材料  46
參考文獻  48
第2章　氫能產(chǎn)業(yè)裝備與材料  50
2.1　氫能主要應用場景  50
2.1.1　工業(yè)  50
2.1.2　交通  52
2.1.3　發(fā)電  54
2.1.4　建筑  55
2.2　裝備與材料  56
2.2.1　制氫領域  56
2.2.2　氫儲運領域  73
2.2.3　氫加注領域  79
2.2.4　氫能應用領域  85
參考文獻  93
第3章　材料中的氫  94
3.1　金屬中的氫  95
3.1.1　氫進入金屬的過程和在金屬中的狀態(tài)  95
3.1.2　氫在金屬中的固溶位置  97
3.1.3　金屬中的氫固溶度  101
3.1.4　金屬中的氫固溶焓  105
3.1.5　金屬-氫相圖  106
3.1.6　氫在金屬中的擴散  108
3.1.7　充氫和氫氣的檢測方法  113
3.1.8　氫對金屬性能的影響  118
3.2　陶瓷中的氫  119
3.2.1　氫在陶瓷中的侵入和擴散  119
3.2.2　質子傳導陶瓷材料  120
3.2.3　氧化物質子傳導機制  122
3.2.4　質子陷阱  124
3.2.5　質子陶瓷燃料電池  125
3.3　有機材料中的氫  127
3.3.1　聚合物膜的氫氣滲透  127
3.3.2　氫燃料電池質子交換膜  129
3.3.3　PEM 的種類和質子傳遞機理  134
3.3.4　PEM 存在的問題  139
3.3.5　有機液體儲氫  141
參考文獻  142
第4章　氫氣制備中的材料  146
4.1　甲烷重整或分解制氫中的材料  146
4.1.1　甲烷的蒸汽重整反應  146
4.1.2　甲烷的催化分解  152
4.2　電解水制氫中的材料  155
4.2.1　堿性電解池  155
4.2.2　質子交換膜電解池  155
4.2.3　氫氧根交換膜電解池  164
4.3　生物質制氫中的材料  172
4.3.1　生物質通過熱化學轉化制氫  172
4.3.2　生物發(fā)酵制氫的過程與材料  175
4.4　光電化學池水分解  176
4.4.1　光電化學池水分解的基本過程  176
4.4.2　用于光電化學池水分解的金屬氧化物光電極  178
4.5　太陽能熱化學制氫中的材料  185
參考文獻  187
第5章　氫氣分離及相關材料  198
5.1　氫氣分離與純化  198
5.1.1　氫氣應用的兩種形式——混氫和純氫  198
5.1.2　不同制氫方法的含氫量  199
5.1.3　不同應用場合對氫的要求  200
5.2　氫氣的過濾及過濾材料  203
5.2.1　氣體的過濾  203
5.2.2　氣體過濾機理  203
5.2.3　氫氣過濾材料  204
5.3　氫氣純化方法  211
5.3.1　純化方法的種類  211
5.3.2　溶液吸收法  213
5.3.3　催化反應法  215
5.3.4　低溫分離法  216
5.3.5　吸附法（選擇吸附法）  216
5.3.6　膜分離法  219
5.3.7　金屬氫化物分離法  220
5.3.8　幾種氫氣分離方法的比較  220
5.4　變壓吸附法原理和工藝  223
5.4.1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  224
5.4.2　吸附現(xiàn)象與PSA 原理  225
5.4.3　變壓吸附法的工藝  227
5.4.4　多床變壓吸附法  228
5.5　吸附劑材料  230
5.5.1　選擇性吸附機理  231
5.5.2　吸附劑的種類  232
5.5.3　活性炭  234
5.5.4　分子篩（沸石）  240
5.5.5　硅膠  251
5.5.6　活性氧化鋁  255
5.5.7　金屬有機框架化合物吸附劑  259
5.5.8　不同吸附劑的性能比較  262
5.5.9　吸附劑再生及在低溫和中溫下的變壓吸附  264
5.6　氫氣的膜分離及材料  271
5.6.1　膜分離種類和機理  271
5.6.2　金屬（合金）膜  276
5.6.3　無機非金屬膜  286
5.6.4　有機膜  289
5.6.5　多層復合膜氫分離  294
5.6.6　多種氫分離膜的比較  295
5.7　金屬氫化物純化法  296
5.8　氫氣同位素分離  298
5.8.1　氫同位素的特性  298
5.8.2　氫同位素的分離濃縮  300
5.8.3　常見的氫同位素的分離方法  302
5.8.4　氫同位素分離材料  304
5.8.5　核聚變和氚的回收  314
參考文獻  319
第6章　儲氫材料  323
6.1　物理吸附儲氫材料  324
6.1.1　碳基材料  325
6.1.2　金屬有機框架材料  327
6.1.3　共價有機框架材料  330
6.1.4　多孔有機聚合物材料  330
6.1.5　沸石  331
6.2　金屬儲氫材料  332
6.2.1　稀土系儲氫材料  334
6.2.2　Mg 系儲氫材料  339
6.2.3　Ti 系儲氫材料  343
6.2.4　V 基固溶體系儲氫材料  350
6.2.5　Zr 系儲氫材料  354
6.3　無機非金屬儲氫材料  357
6.3.1　金屬鋁氫化物  359
6.3.2　金屬硼氫化物  363
6.3.3　金屬氮氫化物  366
6.3.4　氨硼烷儲氫材料  370
6.4　液態(tài)有機氫載體  374
6.4.1　液態(tài)有機氫載體概述  374
6.4.2　液態(tài)有機氫載體研究現(xiàn)狀  377
6.5　其他儲氫材料（技術）  381
6.5.1　高熵合金儲氫  381
6.5.2　液氨  386
6.5.3　水合物儲氫技術  391
6.5.4　玻璃微球儲氫材料  395
6.5.5　地下儲氫  399
參考文獻  403
第7章　高壓氫氣容器、管道及材料  414
7.1　氫氣壓縮特性和密度變化  414
7.1.1　概述  414
7.1.2　氫氣壓縮特性  414
7.1.3　氫氣壓縮過程的密度變化  416
7.2　工業(yè)氫氣鋼瓶  420
7.2.1　概述  420
7.2.2　結構、材料及發(fā)展現(xiàn)狀  420
7.3　道路輸氫設備  422
7.3.1　概述  422
7.3.2　分類  423
7.3.3　氣瓶材料  425
7.3.4　道路輸氫的安全性分析  430
7.4　大型高壓儲氫罐  431
7.4.1　概述  431
7.4.2　單層鋼質高壓儲氫罐  432
7.4.3　多層鋼質高壓儲氫罐  433
7.5　高壓輸氫管道  437
7.5.1　概述  437
7.5.2　分類及用途  437
7.5.3　管道材料  438
7.5.4　各國建設情況及技術水平  441
7.6　車載高壓鋼瓶  444
7.6.1　概述  444
7.6.2　全金屬儲罐（Ⅰ型）  444
7.6.3　金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞儲罐（Ⅱ型）  445
7.6.4　金屬內(nèi)膽纖維全纏繞儲罐（Ⅲ型）  445
7.6.5　非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞儲罐（Ⅳ型）  447
7.6.6　全復合材料的無內(nèi)膽儲罐（V 型）  451
參考文獻  452
第8章　液氫容器和設備及關鍵材料  453
8.1　液態(tài)氫的生產(chǎn)  453
8.1.1　Linde-Hampson 效應  453
8.1.2　Claude 循環(huán)  454
8.1.3　布雷頓循環(huán)  456
8.1.4　正-仲氫轉化  456
8.1.5　液化的效率和現(xiàn)在的生產(chǎn)水平  458
8.2　液氫容器及相關材料  459
8.2.1　液氫容器類型  459
8.2.2　液氫容器材料  461
8.2.3　液氫容器應用場景  464
8.3　液氫泵及關鍵材料  467
8.3.1　液氫泵概述  467
8.3.2　液氫泵熱力學充填模型  468
8.3.3　液氫泵關鍵材料  470
8.4　液氫閥門、儀表及相關材料  471
8.4.1　液氫閥門及相關材料  471
8.4.2　液氫儀表及相關材料  475
8.5　其他相關材料  478
參考文獻  479
第9章　燃料電池中的材料  481
9.1　燃料電池簡介  481
9.1.1　工作原理及發(fā)展歷史  481
9.1.2　燃料電池的分類  484
9.1.3　燃料電池的基本構造  490
9.1.4　燃料電池系統(tǒng)及其應用  492
9.1.5　燃料電池中的材料  495
9.2　中低溫燃料電池中的電解質材料  496
9.2.1　質子交換膜  496
9.2.2　高溫質子交換膜  501
9.2.3　DMFC 中的質子交換膜  504
9.2.4　AFC 中的電解質  509
9.2.5　電極和電催化劑  514
9.3　氣體擴散層  526
9.4　雙極板  529
9.4.1　雙極板材料  529
9.4.2　雙極板的流場設計  533
9.5　固體氧化物燃料電池中的材料  535
9.5.1　固體氧化物電解質  535
9.5.2　電極  539
參考文獻  542
第10章　加氫站中的關鍵設備材料  544
10.1　加氫站概述  544
10.2　隔膜壓縮機  548
10.2.1　膜片材料  551
10.2.2　柱塞系統(tǒng)材料  558
10.2.3　螺栓材料  563
10.2.4　氣缸以及配氣盤材料  569
10.2.5　密封材料  572
10.3　加氫機  582
10.3.1　閥門材料  585
10.3.2　加氫機軟管材料  593
10.4　加氫站高壓管路材料  596
10.5　加氫站的儲罐材料  599
10.5.1　加氫站中氣態(tài)氫儲罐材料  600
10.5.2　加氫站中液態(tài)氫儲罐材料  602
10.6　本章總結  605
參考文獻  606
第11章　氫氣傳感器材料  609
11.1　氫氣傳感器基本原理、敏感材料及種類  609
11.1.1　氫氣傳感器基本原理  609
11.1.2　氫氣傳感器敏感材料  609
11.1.3　氫氣傳感器的種類  610
11.2　半導體型氫氣傳感器  612
11.2.1　傳感器原理和結構  612
11.2.2　敏感材料及發(fā)展現(xiàn)狀  613
11.3　催化型傳感器  618
11.3.1　傳感器原理和結構  618
11.3.2　敏感材料及發(fā)展現(xiàn)狀  618
11.4　電化學型傳感器  619
11.4.1　傳感器原理和結構  619
11.4.2　敏感材料及發(fā)展現(xiàn)狀  620
11.5　熱導型氫氣傳感器  621
11.6　光學型傳感器  621
11.6.1　傳感器原理和結構  621
11.6.2　敏感材料及發(fā)展現(xiàn)狀  624
11.7　聲學型傳感器  637
參考文獻  638
第12章　氫冶金和氫還原  645
12.1　氫冶金的發(fā)展  645
12.2　直接還原鐵  648
12.2.1　氫氣直接還原鐵  648
12.2.2　氣基直接還原鐵工藝  650
12.3　直接還原鐵的機理和特點  656
12.3.1　氫基豎爐內(nèi)主要反應  656
12.3.2　氫還原鐵的特點  656
12.3.3　直接還原鐵成品的性能分析  658
12.4　常規(guī)高爐的氫冶金  660
12.4.1　高爐富氫冶煉技術開發(fā)  660
12.4.2　高爐氫冶金  661
12.4.3　混氫冶金和全氫冶金  662
12.4.4　熔鹽中的直接還原  664
12.5　氫還原熱力學和動力學  665
12.5.1　O2 分壓和H2 O 分壓的影響  665
12.5.2　氫直接還原熱力學  667
12.5.3　CO 或H2 還原的區(qū)別  671
12.5.4　氫還原和鐵的形成過程  673
12.6　氫等離子體還原  676
12.6.1　兩種還原模式  676
12.6.2　氫等離子體熔煉還原  678
12.6.3　微波輔助低溫氫等離子體  681
12.7　有色金屬氧化物的氫直接還原  683
12.7.1　氧化鎢還原  683
12.7.2　氧化鉬還原  684
12.7.3　鎳氧化物還原  685
12.7.4　稀有金屬氧化物  686
12.7.5　氫輔助鎂熱還原TiO2   687
12.7.6　氫等離子體在金屬氧化物還原中的應用  689
12.8　氫冶金的研究動態(tài)  690
12.8.1　日本和韓國  692
12.8.2　歐洲  694
12.8.3　美國  695
12.8.4　中國  696
12.8.5　氫冶金的發(fā)展和面臨的問題  698
12.9　氫氣在其他材料制備領域的應用  699
12.9.1　氫氣氛下材料熱處理和燒結  699
12.9.2　超高純多晶硅的制備  702
12.9.3　氫致金屬非晶化  704
12.9.4　氫致歧化和HDDR  706
參考文獻  710
第13章　其他與氫相關材料  716
13.1　生物學氫材料  716
13.1.1　生物醫(yī)學  716
13.1.2　農(nóng)學  723
13.2　保健相關氫材料  724
13.2.1　水素水（富氫水）  724
13.2.2　吸氫機  725
13.2.3　其他類型氫產(chǎn)品  726
13.3　軍用含能材料  726
13.3.1　三氫化鋁  727
13.3.2　鎂基儲氫材料  731
13.3.3　其他儲氫材料  732
參考文獻  732
第14章　氫環(huán)境下的材料安全  735
14.1　臨氫材料的安全問題  735
14.1.1　氫氣的安全性  735
14.1.2　材料的安全性  737
14.2　材料機械性能和破壞  738
14.2.1　材料的變形和斷裂破壞  738
14.2.2　磨損、時效、蠕變和疲勞破壞  739
14.3　腐蝕引起的破壞  741
14.3.1　根據(jù)腐蝕機理分類  741
14.3.2　根據(jù)腐蝕形態(tài)分類  742
14.3.3　氫損傷  744
14.4　材料的氫脆  748
14.4.1　氫脆現(xiàn)象  748
14.4.2　氫脆的種類  749
14.4.3　氫在金屬中的存在狀態(tài)  751
14.4.4　氫脆機理  754
14.4.5　不同材料的氫脆  758
14.4.6　常涉及氫脆的一些場合  775
14.4.7　氫脆的預防  777
14.5　氫氣泄漏和密封材料  778
14.5.1　高壓氫氣泄漏  779
14.5.2　氫氣泄漏與密封材料損壞  780
14.5.3　密封材料  782
14.5.4　氣密性的檢測方法  787
14.6　高壓氫氣與材料破壞  788
14.6.1　一般工業(yè)鋼瓶  788
14.6.2　高壓氫氣復合容器  789
14.6.3　高壓儲氫容器的安全檢測  791
14.7　液態(tài)氫氣與材料低溫冷脆  793
14.7.1　液態(tài)氫氣及安全  793
14.7.2　冷卻氫氣的特性  795
14.7.3　材料的低溫冷脆  796
14.7.4　液氫使用時的材料選擇  799
14.8　儲氫材料的安全問題  799
14.8.1　金屬氫化物的著火和燃燒  799
14.8.2　粉塵爆炸的危險性  800
14.8.3　高溫引起的高壓  802
參考文獻  802