水電解制氫

序
前?言
第1章　 引言1
1.1　制氫方法的技術(shù)概況9
1.1.1　重整制氫9
1.1.2　電解12
1.1.3　氣化13
1.1.4　生物質(zhì)和生物質(zhì)衍生燃料的轉(zhuǎn)化14
1.1.5　水分解16
1.2　總結(jié)和制氫成本概覽17
參考文獻22
第2章　 水電解的基本原理26
2.1　水分解反應(yīng)熱力學(xué) 26
2.1.1　熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)26
2.1.2　工作溫度的選擇準則28
2.1.3　電化學(xué)水分解28
2.1.4　水分解電壓的pH相關(guān)性30
2.1.5　水分解電壓的溫度相關(guān)性32
2.1.6　水分解電壓的壓力相關(guān)性33
2.2　電化學(xué)水分解的效率38
2.2.1　水分解電解槽/小室：一般特性38
2.2.2　電化學(xué)裝置的主要能耗來源40
2.2.3　水電解槽的能量效率41
2.2.4　水電解槽的法拉第效率42
2.3　水分解反應(yīng)動力學(xué)43
2.3.1　酸性介質(zhì)中的半電池反應(yīng)機理43
2.3.2　堿性介質(zhì)中的半電池反應(yīng)機理46
2.3.3　工作溫度對動力學(xué)的影響47
2.3.4　工作壓力對動力學(xué)的作用48
2.4　結(jié)論49
參考文獻49
第3章　 質(zhì)子交換膜水電解51
3.1　導(dǎo)言及歷史背景51
3.2　固體聚合物電解質(zhì)電解槽的概念53
3.3　PEM電解槽/小室54
3.3.1　概述54
3.3.2　膜電極組件55
3.3.3　電流-氣體分散層57
3.3.4　墊片59
3.3.5　雙極板59
3.4　PEM電解槽/小室的電化學(xué)性能60
3.4.1　極化曲線60
3.4.2　單電極的特性62
3.4.3　電荷密度和電極粗糙度63
3.4.4　電化學(xué)阻抗譜（EIS）特性66
3.4.5　壓力型水電解和交叉滲透現(xiàn)象69
3.4.6　耐久性問題：衰減機制和緩解策略73
3.5　電解槽電堆74
3.5.1　電解槽電堆的不同配置74
3.5.2　PEM電解槽電堆設(shè)計75
3.5.3　電解槽電堆的性能76
3.5.4　診斷工具與維護77
3.6　輔助（BoP）系統(tǒng)79
3.6.1　概述79
3.6.2　成本分析80
3.7　主要供應(yīng)商、商業(yè)發(fā)展歷程和應(yīng)用81
3.7.1　商業(yè)地位81
3.7.2　市場和應(yīng)用82
3.8　局限、挑戰(zhàn)和前景83
3.8.1　用非貴金屬電催化劑替代鉑84
3.8.2　用非貴金屬電催化劑替代銥85
3.8.3　在更高溫度下運行的質(zhì)子膜86
3.8.4　高電流密度運行86
3.8.5　高壓操作87
3.9　結(jié)論88
參考文獻89
第4章　 堿性水電解92
4.1　歷史背景92
4.2　電解槽單元95
4.2.1　概述95
4.2.2　電解液97
4.2.3　電極和催化劑98
4.2.4　隔膜/分離器101
4.3　堿性水電解槽的電化學(xué)性能107
4.3.1　極化曲線107
4.3.2　電解槽性能比較108
4.3.3　高溫運行109
4.3.4　高壓操作111
4.4　主要供應(yīng)商、商業(yè)發(fā)展和應(yīng)用115
4.4.1　電解槽市場115
4.4.2　商用電解槽設(shè)計119
4.4.3　先進電解槽設(shè)計124
4.5　結(jié)論127
參考文獻127
第5章　 單元化再生系統(tǒng)131
5.1　簡介131
5.2　基本概念131
5.2.1　熱力學(xué)131
5.2.2　半電池反應(yīng)134
5.2.3　過程可逆性135
5.3　低溫PEM URFC137
5.3.1　原理137
5.3.2　電池結(jié)構(gòu)和URFC堆138
5.3.3　性能139
5.3.4　局限性和展望143
5.4　高溫URFC144
5.4.1　原理144
5.4.2　電池結(jié)構(gòu)144
5.4.3　性能145
5.4.4　局限性和前景147
5.5　總結(jié)與展望147
參考文獻148
第6章　 高溫蒸汽電解149
6.1　導(dǎo)言149
6.2　技術(shù)概述150
6.3　SOEC中的固態(tài)電化學(xué)基礎(chǔ)154
6.3.1　電極極化曲線154
6.3.2　SOEC 電極中電化學(xué)、質(zhì)量和電荷轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)知識163
6.3.3　溫度在SOEC運行中的作用185
6.3.4　總結(jié)191
6.4　性能和耐久性191
6.4.1　性能192
6.4.2　耐久性196
6.4.3　電堆電化學(xué)和熱管理198
6.5　限制和挑戰(zhàn)201
6.5.1　衰減問題201
6.5.2　系統(tǒng)集成和經(jīng)濟考慮203
6.6　具體操作模式205
6.6.1　加壓運行205
6.6.2　可逆操作206
6.6.3　共電解206
參考文獻207
第7章　 儲氫方案面對的限制和挑戰(zhàn)216
7.1　導(dǎo)言216
7.2　液態(tài)氫219
7.3　壓縮氫氣223
7.4　低溫壓縮氫氣225
7.5　固態(tài)儲氫的材料和系統(tǒng)相關(guān)問題228
7.5.1　物理儲存概述230
7.5.2　化學(xué)儲存概述235
7.6　總結(jié)241
參考文獻242
第8章　 氫：可再生能源的儲存方式246
8.1　導(dǎo)言246
8.2　氫氣：可再生能源（RE）的儲存方式247
8.2.1　可再生能源：特點及其對電網(wǎng)的影響247
8.2.2　電網(wǎng)儲能251
8.2.3　儲能用氫氣255
8.3　間歇能源供電的電解：技術(shù)挑戰(zhàn)以及對性能和可靠性的影響258
8.3.1　間歇性對系統(tǒng)設(shè)計和運行的影響259
8.3.2　動態(tài)運行下的系統(tǒng)性能和可靠性264
8.3.3　通過改進設(shè)計和運行管理間歇性272
8.4　集成方案和示例277
8.4.1　自主應(yīng)用279
8.4.2　并網(wǎng)應(yīng)用281
8.4.3　高溫蒸汽電解與可再生能源的集成285
8.5　技術(shù)經(jīng)濟評估287
8.5.1　用于離網(wǎng)應(yīng)用的氫氣287
8.5.2　流動性用氫288
8.5.3　氫能源——為電網(wǎng)提供服務(wù)的一種方式288
8.6　模擬在經(jīng)濟評估中的作用289
8.6.1　模擬的目標290
8.6.2　模擬的主要輸入數(shù)據(jù)——對結(jié)果穩(wěn)健性的影響291
8.6.3　優(yōu)化和敏感性分析296
8.6.4　用于氫基系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟評估的現(xiàn)有軟件產(chǎn)品示例297
8.7　結(jié)論298
參考文獻299
第9章　 總結(jié)與展望303
9.1　水電解技術(shù)的比較306
9.2　技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及主要生產(chǎn)廠家307
9.2.1　堿性水電解307
9.2.2　PEM水電解308
9.2.3　固體氧化物水電解308
9.3　材料和系統(tǒng)路線圖規(guī)范309