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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

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 VASP360

11.3.2 Materials Studio361

11.3.3 Gaussian361

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