氢能开发与利用(教案大纲)

《氢能开发与利用》教学大纲一、课程地位与课程目标（一）课程地位《氢能开发与利用》是能源与动力工程、氢能科学与工程等专业的核心课程，属于浙江省普通本科高校“十四五”重点立项建设教材。本课程系统介绍了氢能的基础知识，涵盖氢的制取、纯化、存储、输运、利用及安全等全产业链关键环节，体现了氢能在新能源发展中的战略地位。课程内容紧密结合国家“碳达峰、碳中和”目标，响应《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》的政策要求，旨在培养具备氢能技术开发与应用能力的专业人才。（二）课程目标1．系统掌握氢能领域的基础理论、技术原理及工程应用，包括氢的制取、纯化、储存、输运、利用及安全等全产业链关键环节；能够运用数学、化学、工程热力学等基本原理，分析和解决氢能科学与工程中的复杂问题。2．能够基于氢能技术的基本原理，识别和表达氢能开发与利用过程中的复杂工程问题（如制氢效率优化、储氢安全性等），并通过文献研究、实验或模拟手段，建立有效的分析模型，提出合理解决方案。3．能够针对氢能领域的需求（如低碳能源转型、工业脱碳等），设计满足特定场景的氢能系统、关键设备或工艺流程，并在设计中体现创新思维，综合考虑社会、经济、安全、环境及可持续发展等因素。4．理解氢能技术在“碳达峰、碳中和”目标中的战略意义，具备评估氢能项目对环境、健康、法律及伦理影响的综合能力，推动绿色能源技术的负责任应用。二、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务第1章1绪论1.1氢能的作用与意义1.2氢的发现1.3作为能量载体的氢2了解氢能在能源体系中的战略价值、应用现状及其对可持续发展的意义；了解氢元素的发现历程及其科学背景；理解氢作为能量载体的特性、功能及其在能源转换与存储中的作用。第2章2水制氢2.1高温热解水制氢2.2热化学制氢法3掌握高温热解水制氢的基本原理、反应过程及其所需的反应条件；理解热化学制氢法的基本概念；掌握其多步反应链的核心思想与工艺过程；能够比较高温热解与热化学法制氢在原理、效率、技术要求及应用前景等方面的异同。第3章3化石能源制氢3.1煤制氢3.2石油制氢3.3天然气制氢3理解煤制氢（如煤气化）的主要技术原理、工艺流程及特点；认识石油制氢（如重油部分氧化、轻烃蒸汽转化）的主要技术原理与反应路径；掌握天然气蒸汽重整制氢的反应原理、工艺过程及其系统构成；能够比较与分析煤、石油、天然气三种化石原料制氢技术在经济性、能耗、碳排放及技术成熟度等方面的优缺点与应用场景。第4章4生物质制氢4.1生物转化技术4.2热化学转化技术4.3生物质制氢技术的发展潜力3掌握生物质制氢中生物转化技术（如发酵、光生物分解）的基本原理与主要工艺类型；掌握生物质制氢中热化学转化技术（如气化、热解）的基本原理与主要工艺类型；能够比较生物转化与热化学转化技术在经济性、原料适应性、产物效率及技术成熟度等方面的特点与差异；能够分析与评价生物质制氢技术的未来发展趋势、面临的挑战及其在可再生能源体系中的发展潜力。第5章5其他制氢方法5.1风能制氢5.2太阳能制氢5.3氨裂解制氢5.4工业副产氢的回收5.5等离子体驱动电解制氢5.6制氢技术总结4理解风能、太阳能等可再生能源驱动电解水制氢（“绿氢”）的基本原理与系统构成；掌握氨作为氢载体的裂解制氢反应原理与技术特点；了解工业副产氢的来源及其提纯回收的工艺价值；了解等离子体电解制氢等新兴技术的基本原理与潜在优势。第6章6H2的纯化6.1H2中的杂质6.2纯化氢的原因6.3氢的纯化方法3了解氢气中常见杂质的类型、来源及其对下游应用（如燃料电池、化工合成）的危害；理解对氢气进行纯化的必要性与重要性；掌握吸附法、膜分离法、低温分离法等主要氢气纯化技术的基本原理、工艺特点及适用场景；能够根据不同的原料气来源、杂质成分和纯度要求，初步分析和选择适宜的纯化方案。第7章7储氢7.1氢能工业对储氢系统的要求7.2储氢技术3理解氢能工业对储氢系统在储氢密度、安全性、成本、充放氢速率等方面的核心要求；掌握各类储氢技术的基本原理、技术特点、主要优缺点及发展现状。第8章8氢的输送、加注和氢能的标准8.1气态氢输运8.2液态氢输运8.3固态氢输运8.4可能的氢高效输运途径8.5氢的加注8.6氢能的标准2掌握高压长管拖车、管道输运等气态氢输运方式的原理、适用场景及技术经济性特点；掌握液态氢输运的技术要求、基本原理、主要方式及优缺点；了解基于储氢材料的固态氢输运概念及其潜在优势；了解其他高效输运途径的基本思路与发展前景；理解氢能加注流程、核心设备（如加氢机、压缩机）以及对安全性的要求；认识建立氢能标准体系的必要性，了解其在安全、质量、测试方法及基础设施互联互通等方面的重要作用。第9章9燃料电池9.1燃料电池的分类和特点9.2燃料电池原理2理解并掌握碱性燃料电池（AFC）与质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理、电极反应及特点；认识直接甲醇燃料电池（DMFC）与传统PEMFC在燃料选择、反应路径及适用场景上的差异；能够比较分析AFC、PEMFC、DMFC三种燃料电池在能量转换效率、催化剂要求、工作温度、系统复杂度、碳排放及技术成熟度等方面的优缺点。第10章10氢燃料发动机10.1氢内燃机的发展历史10.2氢内燃机汽车10.3氢动力飞机10.4氢燃料火箭3理解氢内燃机（H₂ICE）与氢燃料电池（H₂FC）汽车的核心工作原理、系统构成与运行特性；认识氢内燃机汽车发展历史中的关键技术节点与代表性车型，掌握其与传统燃油车、燃料电池车在效率、排放、技术成熟度及经济性等方面的差异；能够比较分析氢内燃机、燃料电池及掺氢燃料三种氢动力方案在交通运输、航空、航天等不同应用场景下的优缺点、适用条件与发展前景。第11章11氢的其他用途11.1氢能发电11.2氢在医疗领域的应用11.3氢能冶金11.4费-托合成工艺生产碳氢化合物11.5氢-氨融合领域应用11.6油品炼制11.7合成气发酵2理解氢能发电（氢燃料电池与氢燃气轮机）的技术原理、系统构成与运行特点；掌握氢在医疗领域（药物制备、氢气治疗、同位素应用）的作用机制与工艺流程；认识氢能冶金（还原剂、燃料、零碳炼钢）的基本原理、工艺路径及其在钢铁工业中的应用前景；能够比较分析氢能发电、氢冶金、费-托合成、氢-氨融合、油品炼制与合成气发酵等六大氢能利用技术在经济性、能耗、碳排放、技术成熟度及产业适用性等方面的优缺点与应用场景。第12章12氢的安全12.1氢的有利安全特性12.2氢的不利安全特性12.3氢的环境安全性12.4氢安全性综合评价12.5历史上的H2事故2理解氢能安全利用的物理化学基础，掌握氢气在泄漏、扩散、燃烧、爆炸过程中的行为规律与控制原理；认识液氢、高压气氢等不同储