《储能导论》-课件-第6、7章-氢能、电力系统储能

第六章氢能《储能导论》教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材主要内容四氢气输运与加注技术二制氢技术三储氢技术一概述五氢能应用技术六氢安全氢能是一种清洁、高效、安全的二次能源，可通过化石能源重整或可再生能源获取。在氢和氧发生化学反应的过程中，氢能可以转化成热能、电能等其他形式的能量。氢和氧发生的化学反应主要有氢燃烧反应与氢燃料电池反应两种，生成物为水，没有碳排放。氢能未来有可能取代传统能源，成为终极能源，使人类进入一个崭新的能源社会。美国、日本、欧盟等国家和地区相继制定了氢能发展战略；我国制定了2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的宏伟目标，并颁布了中国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》。1概述宇宙中的主要元素是氢（89%）和氦（11%），氢约占宇宙中普通物质总质量的75%，总原子数的90%，氢主要以原子或等离子状态存在。在地球表面，大多数氢都以水的形式存在，在地壳的1km范围内（包括海洋和大气），化合态氢的质量组成约占1%，原子组成约占15.4%，但大气中H2的含量很低，仅为1ppm。16世纪20年代，瑞士化学家帕拉塞斯，发现硫酸与铁反应时，有一种能燃烧的气体产生，但在当时并未认识到这种可燃性的气体是一种新的元素单质。氢气由英国化学家和物理学家亨利·卡文迪什首先分离得到，他曾称之为“易燃空气”，甚至误认为这种气体就是燃素。1766年亨利·卡文迪什才确认氢气与空气不同，并测定氢气的密度是空气密度的1/14.38。1787年，法国化学家拉瓦锡给这种物质命名为hydrogen，确认它是一种元素。1.1氢气的来源与氢能发展史1.氢气的来源1.1氢气的来源与氢能发展史2.氢能发展史氢作为一种化学元素，在元素周期表中位于第一位。氢通常的单质形态是氢气，是极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。1.2氢的物理化学性质1.氢的物理性质

1.2氢的物理化学性质氢是唯一一种具有不同同位素名称的元素，有以下三种主要同位素：

1.2氢的物理化学性质1.氢的物理性质常温常压下，氢气是一种无色、无臭、无味、无刺激性、无毒的气体，大约是空气质量的1/15，在标准大气压(101.3kPa)

和0℃条件下，1L氢气的质量约为0.089g。当冷却至氢气沸点（气体由液态转变为气态时的温度）-252.8℃时，氢气会变成透明、无味的液体。液态氢的质量是水的1/14，没有腐蚀性，性质活泼。氢气从液态转化为气态时体积约膨胀840倍。1.氢的物理性质1.2氢的物理化学性质

1.2氢的物理化学性质2.氢的化学性质在常温下，氢气的性质稳定，不容易跟其它物质发生化学反应，除非有合适的催化剂将其活化。在高温下，氢气变得非常活泼，双原子氢分子分解成自由原子。在原子状态下，氢是一种高效还原剂，即使在室温下它也有较好的还原性。以下是碳氢化合物燃料较有代表性的乙烷和丙烷在自然界的常见分布情况。甲烷是一种最主要的非CO2温室气体，在大气的平流层会被分解为水蒸气（云），从而导致臭氧层被破坏1.2氢的物理化学性质2.氢的化学性质1.能源的概念能源是能够提供机械能、热能、光能、电磁能、化学能等某种形式能量的资源，可以从自然界直接获取或者通过加工、转换获取。2.能源的分类1.3氢的能源属性根据产生的方式根据是否可以再利用，可分为能源可分为一次能源和二次能源；可再生能源和不可再生能源。（1）一次能源。从自然界获取的未经任何改变或转换的能源，包括可再生的水力资源和不可再生

的煤炭、石油、天然气资源。（2）二次能源。一次能源经过加工或转换得到的能源。一次能源转换成二次能源会有转换损失，

但二次能源具有更高的终端利用效率，也更清洁和便于使用。（3）可再生能源。自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源。它对环境

无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。（4）不可再生能源。人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，如煤、石油、天然气等

（也称为“化石燃料”）。1.3氢的能源属性氢作为二次能源，具有以下能源物质的公共属性。（1）环境友好。氢气可以作为风电、太阳能、水能、核电等可再生能源的储存介质，不仅可以降低石油资源的消耗，而且通过燃料电池装置再次转换成电能的过程中，生成物是水，不产生有害排放。（2）可持续发展。氢和可再生能源构成的能源体系实现了对使用环境的保护和节能减排，并且氢的来源丰富，能够达到可持续发展的目标。（3）安全性。氢是宇宙中最多的元素，供应可靠；随着技术的不断进步，氢气的使用安全已逐步得到解决。（4）经济效益。随着氢气的制取、存储、运输、加注、使用等环节技术的不断成熟，使用规模的不断扩大，必将在未来的经济体系中扮演重要角色。1.3氢的能源属性3.氢的能源属性氢的用途广泛，具有广阔的应用前景。（1）交通领域。随着电动汽车的普及，氢能汽车正在快速发展，氢能被认为是新能源汽车的终极供能形态。与电动汽车相比，氢能汽车具有更快的加氢速度和更长的续航里程，是未来交通领域重要的发展方向。（2）分布式能源。氢气可用于构建分布式能源系统，将可再生能源转化为高品位能源，满足本地化能源需求。利用燃料电池技术，可以将氢能转化为电能，为家庭、工厂以及数据中心等提供稳定的电力供应。（3）工业领域。在工业领域，氢气可作为还原剂、原料或燃料，广泛应用于化工、钢铁、电子等行业。随着绿色化工的发展，许多传统的工业过程正在被氢气所驱动的新工艺所取代。1.3氢的能源属性4.氢能源体系（4）储能系统。氢气是一种理想的储能介质，能够将间歇性的可再生能源（如风能、太阳能）转化为稳定的化学能储存起来。在电力需求低谷时期，过量的可再生能源可用于生产氢气；在电力需求高峰时期，储存的氢气可以释放出能量，通过燃料电池转化为电能。这种储能方式对于实现可再生能源的高效利用和电网的稳定运行具有重要意义。（5）航空航天领域。氢气能量密度高环保性好，在航空航天领域具有广阔的应用前景。例如，液氢是航天飞机常用的推进剂之一。随着航空工业的发展和环保要求的提高，氢气有望在未来的航空燃料中发挥重要作用。1.3氢的能源属性4.氢能源体系1.3氢的能源属性5.氢能经济氢能的应用将催生其上、中、下游的产业链体系发展，带来巨大的经济和社会效益，同时作为能源，也必将影响大量用能的产业，对经济社会带来深远的影响。主要内容四氢气输运与加注技术二

制氢技术三储氢技术一概述五氢能应用技术六氢安全2制氢技术氢气与化石燃料不同，它不能经过长时间的聚集而天然存在，氢气作为二次能源，须通过特定技术制备获取。本节将围绕电解水制氢、重整制氢、裂解制氢、光解水制氢和生物质制氢等多种制氢方法及氢气纯化技术进行介绍。2.1

电解水制氢电解水制氢技术成熟且清洁无污染，但由于纯水导电性差，需添加电解质如氢氧化钠、氢氧化钾或硫酸以增强导电性和提高产氢效率。常用电解水制氢方法有碱性电解水制氢、固体聚合物电解水制氢、固体氧化电解水制氢。1.碱性电解水制氢碱性电解水制氢的原理如图6-2所示：在阴极处，水分子接受电子并发生还原反应，生成氢气：

阴极：4H2O(l)+4e-→2H2(g)+4OH-(aq)在阳极处，水分子失去电子发生氧化反应，生成氧气：

阳极：4OH-(aq)-4e-→O2(g)+2H2O(l)电解槽使用强碱作为电解质，电解质中的OH

-在电解过程中向阳极迁移，随后失去电子生成氧气。图6-2碱性电解水制氢的原理2.1

电解水制氢1.碱性电解水制氢大规模碱性电解槽常采用双极压滤式结构，如图6-3所示。在外加电场下形成带正电的阳极区和带负电的阴极区，因此得名“双极”。极板间的小间隙允许水分子进入，是碱性电解水制氢电解槽的关键部件。图6-3双极压滤式电解槽示意图2.固体聚合物电解水制氢固体聚合物电解水制氢使用固体聚合物膜作为电解质，分解水产生氢气和氧气。相比传统液体电解质，固体聚合物电解质更安全、不易泄漏、稳定性好、能效高、可降低能源消耗。固体聚合物电解水制氢技术分为两大类：质子交换膜（PEM）电解水制氢和阴离子交换膜（AEM）电解水制氢。2.1

电解水制氢1）质子交换膜电解水制氢质子交换膜电解水制氢是一种利用质子交换膜作为电解质的方法，其电解槽主要由高分子聚合物电解质膜和两个电极构成，质子交换膜与电极为一体化结构。质子交换膜电解槽工作时，水在阳极室循环，在阳极上发生氧化反应生成氧气；氢离子在电场作用下透过质子交换膜，在阴极上与电子结合，发生还原反应生成氢气；质子交换膜中的氢离子通过水合氢离子的形式从一个磺酸基转移到相邻的磺酸基，从而实现离子传导。阳极：4H2O(l)-4e-→4H+(aq)+O2

(g)阴极：4H+(l)+4e--→2H2(g)2.1

电解水制氢2）阴离子交换膜电解水制氢阴离子交换膜电解槽可将碱性电解槽的低成本与质子交换膜电解槽的简易高效特性结合起来。这项技术采用非贵金属催化剂，可不使用钛金属部件，并具备与质子交换膜电解槽相似的压力差运行的能力。电解槽运行时，水从阴极侧进入，在阴极参与还原反应并得到电子，生成氢氧根离子和氢气；氢氧根离子通过阴离子交换膜到达阳极，参与氧化反应并失去电子，生成水和氧气。阴极：4H2O(l)+4e-→2H2(g)+4OH-(aq)阳极：4OH-(aq)-4e-→O2(g)+2H2O(l)2.1

电解水制氢3.固体氧化物电解水制氢固体氧化物电解水制氢通过高温电解水产生氢气，电解槽600-1000℃下运行，阴极常用Ni/YSZ多孔金属陶瓷，阳极为钙钛矿氧化物，电解质YSZ氧离子导体。电解反应发生在阴极，水蒸气被分解产生H2和O2-离子，O2-离子穿过电解质层到达阳极，在阳极失去电子并生成O2

阴极

2H2O(g)+4e-→2H2(g)+O2-

阳极

O2--4e-→O2(g)固体氧化物电解制氢工作温度较高，存在氧气与氢气混合爆炸的风险，且高温操作需昂贵材料，增加投资成本。2.1

电解水制氢2.2

重整制氢重整制氢是通过化学过程在催化剂作用下将碳、碳氢化合物或醇转化为氢气，反应产生的副产物有水、一氧化碳和二氧化碳。重整制氢可分为水煤气制氢、焦炉煤气制氢、天然气制氢和醇类制氢等几类1.水煤气制氢水煤气制氢是先将煤炭气化得到以氢气和氧气为主要成分的气态产品，然后经过净化、变换和分离、提纯等处理而获得一定纯度的产品氢气。水煤气制氢技术的工艺过程有煤的气化、煤气净化、变换以及氢气提纯等主要生产环节。煤炭可以经过各种不同的气化处理，如流化床、喷流床、固定床等实现煤炭制氢。

图6-5传统煤气化制氢工艺流程2.2

重整制氢2.焦炉煤气制氢工业上常用变压吸附技术从焦炉煤气中分离氢气，但此技术仅回收原有氢气，其他组分如一氧化碳甲烷等则被燃烧或排放。因此需低成本技术从焦炉煤气中回收更多氢气。主要方法措施有甲烷干重整、甲烷部分氧化重整、水蒸气甲烷重整等。

干重整：

部分氧化重整：

水蒸气重整：2.2

重整制氢3.天然气制氢1)甲烷水蒸气重整甲烷水蒸气重整制氢工作温度为质制制在%制制制达，以镍、铁、钴等金属元素为活性成分，并以金属氧化物为辅助剂的催化剂对重整过程有很好的促进作用。甲烷水蒸气重整制氢原料丰富、温室效应小、大气污染物少；过程放热大，适于能量储存与传输；有效避免炭沉积导致的催化剂失活问题。甲烷水蒸气重整：

图6-6甲烷水蒸气重整工艺流程水汽反应：

甲烷水蒸气直接重整：2.2

重整制氢3.天然气制氢2)自热重整自热重整结合了水蒸气重整和部分氧化重整过程，整体为放热反应，产生的一氧化碳通过水汽转移反应进一步生成氢气。甲烷自热重整反应包括两步：①部分甲烷完全氧化生成CO2和H2O；②剩余部分甲烷与水反应生成CO和H2O。水煤气变换反应则是水蒸气和CO在催化剂作用下生成CO2和H2。联合这两个反应有三大优点：完全氧化反应放热供自热重整反应，实现自供热；氧化反应产生H2O和额外加入的H2O有助于控制反应温度并防止积炭；H2O的存在有利于水煤气反应平衡向生成更多H2的方向进行，并将CO转化为CO2，减少对铂电极的毒化。2.2

重整制氢4.醇类制氢1)甲醇水蒸气重整制氢甲醇水蒸气重整制氢,是指甲醇在一定温度、压力及催化剂作用下发生蒸气重整反应制取氢气的过程。甲醇水蒸气重整制氢反应体系十分复杂，目前对甲醇水蒸气重整制氢的反应机理主要认识如下:除了甲醇水蒸气重整，还有甲醇部分氧化重整与甲醇自热重整。甲醇部分氧化重整制氢是指将甲醇和空气发生部分反应，生产富含氢气的合成气。

甲醇分解：水汽置换：

2.2

重整制氢4.醇类制氢1)乙醇制氢乙醇是成熟的汽油替代燃料，作为一种可再生生物液体燃料，它在减轻大气污染、减少温室气体排放、降低石油依赖等方面发挥了重要作用。乙醇水蒸气重整制氢的总反应式为乙醇水蒸气重整反应是一个非常复杂的过程，其中会发生许多副反应。

乙醇制氢：2.2

重整制氢4.醇类制氢1)生物乙醇重整制氢生物乙醇重整制氢过程涉及将生物乙醇、水和空气混合汽化、预热，并在催化剂作用下进行重整反应，产生富氢气体。在这个过程中，乙醇经过脱氢反应生成乙醛，乙醇和乙醛可生成丙酮，丙酮与氧气和水反应生成氢气，但也可能通过重排或脱水反应形成积炭。通过水汽置换技术，可进一步将重整气体中的一氧化碳和水转化为氢气。图6-7生物乙醇重整制氢机理2.3

裂解制氢裂解制氢是一种先进的能源生产技术，通过不同的方法从可再生或传统能源中提取氢气。裂解制氢的优点在于清洁、高效、多样化，可以实现可再生能源的储备和高效利用，有助于推动清洁能源转型、减缓气候变化。

1.氨制氢

2.3

裂解制氢1）天然气（甲烷）高温裂解制氢天然气（甲烷）直接裂解制氢过程不产生CO和CO2，所得到的氢气产品可用于质子膜燃料电池等对燃料中CO含量要求严格的系统。其产品碳可作为碳纳米材料，包括碳纳米管、石墨烯或碳纳米纤维。甲烷裂解制备氢气的方程式如下：与天然气水蒸气重整相比，其分离设备更简单，流程更短，操作更简化，设备投资更低。2.其他裂解制氢

2.3

裂解制氢2）醇类裂解制氢醇类裂解制氢可以分为甲醇裂解制氢和乙醇裂解制氢两种。（1）甲醇裂解制氢甲醇裂解制氢在特定温度、压力和催化剂下生成氢气、二氧化碳和少量一氧化碳。甲醇纯度高，可直接反应；常压下为稳定液体，便于储存运输；甲醇裂解制氢工艺设备简单、投资低、自动化程度高。甲醇裂解制氢的基本反应过程为:总反应2.其他裂解制氢

2.3

裂解制氢（2）乙醇裂解制氢乙醇高温催化裂解制氢产生氢气、CO、纯碳和甲烷，反应吸热。虽然流程短且操作简单，但积炭导致催化剂快速失活，降低制氢效率。乙醇高温催化裂解制氢难以稳定连续操作，应用前景有限，但可用于生产碳材料。

乙醇裂解的反应式：2.其他裂解制氢

2.3

裂解制氢3）甲酸裂解制氢甲酸作为一种液态储氢材料，无毒、稳定、储氢密度高、安全环保，具有较好的应用前景。其制氢副产物仅有CO2，后者可通过加氢反应再生成甲酸，形成闭环，减少CO，排放，具有良好的可持续性。甲酸可以通过如下所示脱氢和脱水两个主要的反应途径分解：2.其他裂解制氢

2.4

光水解制氢光解水制氢利用太阳能进行光催化分解水来生产氢气，被认为是一种成本效益较高的方式。太阳能分解水产生氢气可以通过以下几种不同的方式实现：太阳能热分解水制氢、太阳能光电解水制氢、半导体光催化分解水制氢以及人工光合作用分解水制氢。1.光催化原理光催化分解水的原理可以为三个过程：①半导体光催化剂吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子

并产生电子表空穴对②光生电子表空穴对扩散至空间电荷层并在其内建电场作用下发生分离③迁移至半导体光催化剂表面的光生电子参与水的还原反应产生H2(HER)，

而迁移至半导体表面的空穴则驱动水的氧化反应产生O2(OER)。

OER:

HER:2.4

光水解制氢2.光催化制氢的主要方法太阳能热分解制氢太阳能热分解制氢技术利用过高效太阳能集热系统，如聚光镜或反射镜，产生高温（约2500K）驱动水分解制氢。太阳能光电解水制氢太阳能光电解水制氢依赖于光电化学电池，太阳光被电池中的半导体材料吸收，激发产生电子表空穴对。

电子和空穴（h+）在电极上引发反应，导致水分子分解。2.5

生物质制氢生物质制氢是以碳水化合物为供氢载体，利用光合细菌或厌氧细菌来制备氢气，并用微生物载体、包埋剂等细菌固定化手段将细菌固定下来，实现产氢。根据生物在制氢过程中是否需要阳光，生物质制氢的方法分为化学法制氢和生物法制氢。1.生物质化学法制氢

生物质化学法制氢是一种将生物质通过化学反应转化为氢气的过程。主要优势是能够高效处理多种类型的生物质原料，包括固体废物和木质纤维素等。气化制氢气化制氢是指在气化剂（如空气、水蒸气等）中，将碳氢化合物转化为含氢可燃气体的过程。热解重整法制氢热解重整法制氢指生物质在缺氧或微氧条件下加热分解的过程。2.生物质生物法制氢生物质生物法制氢是利用微生物的生物代谢过程来制取氢气。光合细菌（如好氧绿藻、蓝绿藻和厌氧光合细菌等）在厌氧光照或好氧黑暗条件下，能利用光能进行只产氢不产氧的活动。化学反应式为间接的生物光合作用是有效地将氧气与氢气分开的过程。储存的碳水化合物被氧化，而产生氢气，化学反应式为：生物法制氢具有环境友好、能耗低、操作简便、能源利用效率高等优点。该方法面临的主要挑战是产氢速率和产氢量相对较低，微生物菌株和发酵条件有待优化。

2.5

生物质制氢

2.6

可再生能源制氢可再生能源:可再生能源如风能、太阳能等遍布全球，但它们的随机性和季节性导致并网困难，会引发大量能源浪费。氢气作为一种理想储能介质，可通过电解水制氢技术实现电能与氢能的转换，解决可再生能源的稳定利用问题。太阳能、生物质能可以直接制氢，而风能、海洋能、水力能、地热能则需先发电再制氢。图6-9可再生能源制氢的生产途径及其成熟度2.7

氢气纯化技术氢气在工业领域有多种用途，包括半导体工业、精细化工、电子制造、金属加工等，高纯度的氢气对于这些应用至关重要。物理法主要包括变压吸附法、膜分离法、深冷分离法、吸收法和金属氢化物法等；化学法主要是催化纯化法。这里主要介绍变压吸附法、膜分离法和深冷分离法。1.变压吸附变压吸附技术利用吸附剂对不同沸点气体的选择性吸附特性，通过高压吸附、低压解吸实现氢气与杂质的分离。吸附剂对不同气体分子的吸附力不同，氢气吸附力较弱，而硫醇、苯等的吸附力较强。根据吸附力强弱，变压吸附分为低吸附性气体纯化和高吸附性气体纯化，氢气提纯属于低吸附性气体纯化。2.膜分离膜分离法是利用膜对特定气体组分具有选择性渗透和扩散的特性来实现气体分离和纯化的目的。气体通过膜的推动力是膜两侧的压力差，渗透率高的气体在渗透侧富集，而渗透率低的气体在未渗透侧富集，实现混合气体的分离。气体分离膜分为多孔膜和致密膜，多孔膜通过微孔扩散实现分离，而致密膜通过吸附和扩散实现分离H2OH2HeH2S\CO2ArCON2CH4高中低2.7

氢气纯化技术3.深冷分离深冷分离的原理是利用低温条件下原料气中各组分的相对挥发度之差（沸点差），使部分气体冷凝，从而达到分离的目的。氢气的相对挥发性比烃类物质高，深冷分离法也可实现氢气与烃类物质的分离。深冷分离法的特点是适用于氢含量低于30%的原料气，得到的氢气纯度较高，可以达到95%以上；而且氢回收率高，可以达到92%-97%。深冷分离法投资大、操作和维护复杂、能量消耗高。一般适用于处理量较大、氢气要求不高的场合。2.7

氢气纯化技术主要内容四氢气输运与加注技术二制氢技术三

储氢技术一概述五氢能应用技术六氢安全3储氢技术氢气的储存是大规模利用氢能的关键环节。由于氢在常温下是气态，体积能量密度低，提高氢气储存的密度十分重要。根据储氢机制不同，可以将储氢方式分为物理储氢和化学储氢两大类。物理储氢主要包括高压气态储氢、低温液态储氢以及多孔材料吸附储氢等；化学储氢主要包括金属氢化物储氢和有机液体储氢等。3.1

高压气态储氢高压气态储氢是目前常用的一种储氢方式，是通过提高储存压力来达到增加氢气储存密度的方法，属于物理储氢技术的范畴，具有成本低、无储氢介质、易脱氢、氢气浓度高等优点。随着储氢罐内压力的逐渐增大，氢气的密度逐渐增加。当压力为定制为30-40MPa时，氢气密度随压力的变化较快，而当压力超过70MPa时，氢气密度随压力的变化不明显，储氢罐的工作压力通常保持在35-70MPa范围内。1.氢气高压储存原理3.1

高压气态储氢高压储氢的效率：体积储氢密度（含容器体积）和质量储氢密度（含容器质量）储氢原理：随着储存压力的升高，体积储氢密度逐渐增加理想气体状态方程：（修正）3.1

高压气态储氢1）氢气的压缩直接用压缩机将氢气压缩至所需压力，然后存储在储氢容器中；先将氢气压缩至较低的压力并存储起来，加注时使用压缩机增压，使储氢容器达到所需的压力2）高压氢气的储存全金属瓶（Ⅰ型瓶）钢制内衬纤维缠绕瓶（Ⅱ型瓶）铝内衬纤维缠绕瓶（Ⅲ型瓶）塑料内衬纤维缠绕瓶（Ⅳ型瓶）2.氢气高压储存的关键技术3.1

高压气态储氢Ⅰ型瓶：金属储罐的材质一般为具有良好性能的金属材料，常用奥氏体不锈钢。由于氢气的分子渗透作用，钢制气瓶很容易被氢气腐蚀出现氢脆现象，导致气瓶在高压下失效，发生爆裂等事故。同时由于钢瓶质量较大，质量储氢密度低（通常为在约1%-1.5%），一般用作固定式、小储量的氢气储存。铜和铝在常温时不会发生氢脆，常被选作高压储氢罐的材料。Ⅱ和Ⅲ型瓶：是一种金属与非金属材料复合的高压容器，其结构为在金属内衬外缠绕纤维固化后形成增强结构。金属内衬纤维缠绕高压储氢容器利用了纤维耐疲劳、高强度、轻质、高模量等特点，由纤维承受载荷作为储氢罐承压层，再以铝合金或不锈钢等材料作为金属内衬，制成储氢压力可达质制成的储氢罐。由于采用轻质纤维作为承压层，储罐的质量大幅降低，从而提高了容器的质量储氢密度，同时还降低了制造成本，被广泛用于大容积氢气的储存。金属内衬多采用铝合金。Ⅳ型瓶：内衬采用塑料材质，由内向外分别为塑料内衬、纤维缠绕层以及保护层，其他结构与金属内衬纤维缠绕压力容器基本相同。塑料内衬材料一般采用高密度聚乙烯，塑料内衬不仅起固定外形和作为纤维缠绕模具的作用，而且具有耐腐蚀、高强度、高韧性等特点。3.2

低温液态储氢1）正-仲氢转化一个氢分子由两个原子核构成。由于两个原子核存在自旋，因此存在旋转方向一致和相反的两种自旋异性体，前者被称为正氢，后者称为仲氢。在平衡状态下正、仲氢之比只是温度的函数，温度越低，仲氢含量越高。在常温下达到平衡状态时，正氢占75%，仲氢占25%，称此时的氢为正常氢。在液化氢气时，如果不做正-仲氢转化而直接进行液化，可以制造出正表仲氢之比为定的未达到平衡态的液态氢，液态氢会大量蒸发。在液化过程中，需要先利用催化剂促进正-仲氢转化，提髙仲氢的浓度后再进行液化及储存。1.氢气液化技术3.2

低温液态储氢2）焦耳汤姆孙效应在等焓条件下，气流强制通过多孔塞、小缝隙或者小管口后，由于体积膨胀造成压力降低，导致温度发生变化的现象。室温常压下，多数气体经节流膨胀后温度下降，产生制冷效应；而氢、氦等少数气体在常温常压下经节流膨胀后温度升高，产生致热效应，但在低温条件下，氢气经节流膨胀后，温度降低，产生致冷效应。通常用焦耳表汤姆孙系数来表征焦耳表汤姆孙效应，定义为等焓条件下温度随压力的改变：3.2

低温液态储氢液化方法简易林德法氦气逆布雷顿法氢气克劳德法液氢存储储罐形状：半球形，球形密度低强度高导热系数低气密性良好传统金属材料：不锈钢和铝合金高强度复合材料：玻璃强化塑料和碳纤维强化塑料比热容低……3.2

低温液态储氢传统的液氢储罐材料选用金属，如不锈钢和铝合金。为了适应液氢储罐在车载储氢等领域的应用，在保持容器强度的同时减小容器的重量以提高质量储氢密度，是液氢储罐设计的基本原则。与高压气态储氢类似，传统的金属材料逐步被低密度、高强度复合材料所取代。典型的复合材料是玻璃强化塑料和碳纤维强化塑料。2.液氢存储技术3.3

物理吸附储氢吸附就是固体或液体表面对气体或溶质的吸着现象，其中固体或液体被称为吸附剂，气体或溶质被称为吸附质。根据吸附质与吸附剂的作用方式不同，吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附中的作用力是范德瓦耳斯力，化学吸附中气体分子与固体的作用方式是化学键。物理吸附的活化能小，吸放氢速度较快，一般可逆，循环性能好。常用的物理吸附储氢材料有碳材料和金属有机骨架等。3.3

物理吸附储氢碳质储氢材料具有吸氢量大、质量小、抗毒性能强、易脱附等特点，是非常具有应用前景的储氢材料，比较常见的材料有活性炭、活性碳纤维、碳纳米管和碳纳米纤维。可以通过对其碳基的组成、结构、孔径、比表面积进行调节来提高氢气的吸附量。1）活性炭/活性炭纤维：活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，能吸附分子大小不同的各种物质。活性炭纤维表面具有大量不饱和碳原子，易于在活化制备过程中生成孔隙结构的同时形成丰富的表面官能团。活性炭活性炭纤维材料的吸附性能还与温度和压力有关，低温和高压下吸附性能好、储氢量大。1.碳材料储氢3.3

物理吸附储氢2）碳纳米管：是一种径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口的一维量子材料。可以根据石墨片的层数将碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管主要通过内部具有微孔的孔道来吸附氢气，其储氢量大，同时在常温下便可进行氢气的释放且释放速度较快。3）碳纳米纤维：碳纳米纤维是一类储氢量较高的储氢材料，其表面分布有大量的分子级孔洞，内部为中空管，因此比表面积较大。它具有质量小、力学性能好、高导电性和高导热性等特点，在储氢领域具有广泛的应用前景。与其他类型的碳质储氢材料类似，纤维的直径与结构对储氢量有一定的影响，在一定范围内，纤维直径越小，储氢量越大。3.3

物理吸附储氢MOF由无机金属与含、了等元素的有机配体组合，通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOF具有孔隙率高、吸附量大、热稳定性好等特点。MOF的比表面积非常高，理论极限值为14600m2/g，在储氢方面具有很大的潜力。在恒定温度下，其对氢气的吸附量随压力的增加而增加。代表：ZIF系列，MIL系列2.金属有机骨架材料储氢3.4

化学反应储氢

3.4

化学反应储氢有机液体储氢技术是通过不饱和液体有机物的可逆加氢-脱氢反应来实现储—放氢循环。这类储氢用不饱和液体有机物，被称为有机液体储氢材料，又称液态有机储氢载体。2.有机液体储氢3.4

化学反应储氢常用的不饱和液体有机物主要包括环烷烃、N-乙基咔唑、甲苯等。优势：有机液体具有较高的质量和体积储氢密度；环己烷和甲基环己烷等在常温常压下呈液态，与汽油类似，可用现有石油管道设备进行储存和运输，安全方便可以长距离运输；催化加氢和脱氢反应可逆，可长期储存，储氢介质可循环使用，如果能大规模获取化学原料，可降低储氢成本。主要内容四氢气输运与加注技术二制氢技术三储氢技术一概述五氢能应用技术六氢安全4氢气输运与加注技术气氢管网输运气氢拖车输运液氢罐车输运①气态，使用高压容器拖车输运或氢气/天然气混合气体的管网输运；②低温液态，使用卡车或船舶输运；③化合态，通过氨、甲醇或者其它有机液体输运，在使用时裂解或重整为氢气。氢的运输方式主要有三种，包括：4.1气态氢输运技术管网输运是一种经济、高效的长距离氢气输运方法。气态氢的管网输运方法主要包括纯氢气的管网输运和氢-天然气混合气的管网输运两种。管网一方面为终端用户输送燃料，另一方面当供大于求时，管道本身可短期存储燃料。在管道内短期储存燃料的方式称为“管线充填(linepack)”，在需求发生波动时，管线充填有助于向用户不间断地提供燃料。管道中燃料充填量的增加带来存储量增大，但是所需要的压力升高。1.管网输运4.1气态氢输运技术经天然气重整、电解水等方法在制氢工厂集中制取的氢气，首先进入输氢主管，然后进入环形配氢管网，最终分配到加氢站或其它客户端。在制氢设备端的出口氢气（如3MPa）一般经过加压后进入管线输运（如7MPa）；由于氢在输运过程中需要克服与管道摩擦引起的压力损失，在进入配氢管网时压力会有所下降。（1）氢气管网输运和分配制氢工厂集中制氢后经管网输运和分配的示意图1）纯氢气的管网输运气体在管道输送过程中，随管线延长会发生能量变化。在管道中任意两点A和B的流体能量受海拔高度、压力和流速等因素的影响，可用伯努利方程(Bernoulli’sequation)来表达：（2）氢气管网输送中的能量损失流体在管道输送过程中的能量变化示意图

上式是基础的能量方程，与气体定律相结合，可用于分析管道输氢的流动特性。此外，管道输送过程中还存在氢损失问题，通常管道输送过程中的氢损失率是同样距离输电过程能量损失率(约7.5%~8%)的一倍。4.1气态氢输运技术4.1气态氢输运技术与天然气管网输运相似，从集中制氢工厂到用户终端或储氢罐之间的管线上存在多次氢气压缩过程。气体管线输运的原理是压力差诱导的气体流动。由于气体在管道内的流动存在沿程阻力损失和局部阻力损失，从而引起压力下降。气体的流速越高，压力降越大。由于输氢管道要维持最高和最低压力，在长距离氢气输运中需要再压缩。显示了氢气压力降与使用加压站以维持压力在最低压力(pmin)和最高压力(pmax)间的关系。（3）加压站氢气管道输送中的压力降和再压缩间的关系4.1气态氢输运技术当两段输氢管道在不同压力下运行时，需要降压站相连，降压站通过一个节流阀使气体膨胀以达到降压的目的。根据焦耳-汤姆森效应(Joule-Thompsoneffect)，气体通过节流阀膨胀会改变气体的温度，膨胀后的温度用下式表示：（4）降压站

室温下氢气的焦耳-汤姆森系数为0.035℃/bar，若氢气从80bar降压至15bar，温度降低2.3℃。4.1气态氢输运技术氢的高热值(HHV=13MJ/m3)约为天然气的1/3，若输送与天然气相同能量的氢，其体积是天然气的3倍。当天然气中混入0%~100%(体积分数)的氢气时，其相对能量的变化如下图所示。当管道和压力降不变时，纯氢(即加氢量100%)的能量是贫天然气的98%，是富天然气的80%。在现有天然气管道中混入约10%的纯氢时，能量仅损失约3%，是一种可行的输氢方式。恒压条件下H2-NG混合气和贫天然气或富天然气能量对比2）氢-天然气混合气的管网输送4.1气态氢输运技术氢气的短距离运输主要通过集装管束运输车(或称长管拖车)进行运输。长管拖车由若干只大容积无缝钢瓶组成容器主体，钢瓶由瓶体两端的支撑板固定在框架中构成集装管束。集装管束前段为安全仓，设置爆破片安全泄放装置；集装管束后端为操作仓，配置测温、测压仪表及控制阀门和存放气管路系统。项目数据项目数据公称工作压力/MPa20钢瓶规格(外径×长度)/mm×mm559×10975工作环境温度/℃-40~60单瓶公称容积/m32.25钢瓶设计厚度/mm16.5钢瓶数量/只10瓶体材料4130集装管束公称容积/m322.5水压试验/MPa33.4充装介质氢气气密性试验压力/MPa20充装氢气体积Nm33965典型集装管束技术参数氢气集装管束运输车2.长管拖车输运4.1气态氢输运技术氢气经过脱水、脱氧等净化流程后，由氢压缩机压缩至高压（如20MPa），再由装气柱充装入长管拖车并运至目的地，通过卸气柱和调压站调压后并入氢气管网使用。实际运行时充气压力一般为19.0~19.5MPa，卸气至瓶内压力≤0.6MPa，每次运输氢气量通常为3750~3920Nm3，充气时间1.5~2.5h/车，卸车时间1.5~3h/车。为了降低运输成本和提高体积储氢效率，可提高储氢罐的压力，从而提高长管拖车的装氢量。长管拖车装运的氢气质量只占整车质量的1%~2%左右，因此该运输方式适用于短途、氢气用量不大的场景。长管拖车氢气运输流程2.长管拖车输运4.2液态氢输运技术氢气输运量较大时，高压气氢长管拖车运输不能满足需求。相同质量的液态氢体积是气态氢的1/800（标准状态），且相同有效装载容积下液氢罐的重量比高压储氢容器轻得多，因此液氢运输可大幅提高氢的输运效率，比高压气氢输运更适用于大规模、远距离的场景。液氢输运方式主要包括基于公路和铁路的液氢罐车输运，以及适用于海上运输的液氢船舶输运。对于液氢罐车输运来说，低温绝热槽罐是关键设备。汽车用液氢槽罐常用水平放置的圆筒，输运液氢的容量可达100m3，而铁路用特殊大容量槽罐运输液氢的容量可达200m3，大储氢罐比小储氢罐在储存密度和降低损失率方面更具优势。液氢通过罐车运输至加氢站后，可直接给液氢用户加氢，也可通过气化、加压后使用。1.液氢罐车输运基于公路的液氢罐车输运路线运图4.2液态氢输运技术与运输液化天然气(LNG)类似，大量的液氢长距离运输可采用船运，这是比陆上铁路和高速公路运氢更加经济和安全的方式。2019年日本川崎重工设计了一艘液氢运输船及储罐，储罐为圆柱形，完全独立于船体结构，该船运氢能力为2500m3。2.液氢船舶输运日本川崎重工设计的全球首艘液态氢运输船双储罐多储罐罐体液氢输运的主要劣势是氢液化耗能大，1m3气氢液化需要的最低能量为0.35kW·h，目前氢气液化的能耗约为氢热值的1/3。液氢运输容器需使用特殊合金和碳纤维增强树脂等材料，保持液氢在超低温(-252℃)条件下运输，并需要应对容器内液氢的自然蒸发问题。采用冷能回收与真空玻璃微球绝热相结合的技术或高真空多层绝热容器，可保证每天液氢自然蒸发率约0.13%的水平。4.3化合态氢输运技术各种氢的直接大规模储存和运输方式都存在各自的技术瓶颈。而采用间接的高能量密度化合态氢储运介质，如液氨、甲醇、有机储氢液体等，其运输网络成熟、规范、灵活度高，也被视为一种大规模储运氢的有效途径。液氨的运输方式包括水路驳船、公路罐车、铁路罐车以及管道运输。铁路、公路运输方式多用于液氨的短距离运输；而管道运输方式运输量大，适合于液氨的长距离运输。液氨车船运输的基础设施和相关技术较为成熟。氨活性较低，其燃烧和爆炸危害性比其它气体和液体燃料低。甲醇是一种很有发展潜力的含氢燃料，可由氢气合成后直接使用，也可将其裂解成氢气后使用。甲醇常温常压下为液体，具有爆炸风险低的优点，可以利用现有的输油管道、加油站等设施，因此其总体安全性和经济性均较好，是一种高效的运输方式。4.3化合态氢输运技术常见的有机液体加氢反应主要是甲苯加氢转换成甲基环己烷(MCH)，常温常压下甲苯和MCH均是液体。利用该氢化物体系，在常温常压下可把氢气转化为液体进行输运，在需要使用的场所进行脱氢反应释放出氢气。脱氢后的有机液体还可再次加氢，从而实现多次循环使用。1L液态的MCH可储存0.5m3氢气，即液态MCH可储存约500倍体积的氢气。作为氢储运介质的有机液体，与汽油的运输类似，可在常温常压下采用车船运输，也可以采用已有的石油基础设施进行运输。有机液体化合物输氢4.4氢气加注技术依据氢气的来源，氢燃料汽车加氢站可分为外供氢加氢站和内制氢加氢站。外供氢加氢站构成外供氢加氢站内不设现场制氢装置，氢气通过长管拖车、液氢槽车或者输氢管道由制氢厂运输至加氢站，由压缩机压缩并输入高压储氢罐内存储，最终通过加氢机加注到燃料电池汽车上使用。对于液氢，可以直接液态加注或气化后再加注。（1）外供氢加氢站1.加氢站的构成4.4氢气加注技术内制氢加氢站构成内制氢加氢站内建有制氢系统，制氢技术包括天然气重整制氢、电解水制氢等。站内制备的氢气一般需要经过PSA系统纯化和干燥后，再进行压缩、储存及加注等步骤。其中，天然气重整制氢和电解水制氢技术由于技术成熟、设备便于安装、自动化程度较高，且天然气重整制氢技术可依托天然气的成熟基础设施建设发展，目前在站内制氢加氢站中应用较多。（2）内制氢加氢站外供氢和内制氢加氢站的供氢压力通常分为35MPa和70MPa两种等级。4.4氢气加注技术2.氢气加注方法分级加注是指通过2~3组并联的分级储氢瓶组(压力分成高、中两组或高、中、低三组)，并将压缩机、储氢瓶组、加氢机按设定程序进行自动控制，按分级压力平衡顺序由低压到高压对车载储氢瓶进行加注，直至达到要求的压力。采用分级加注既可以加快加注速度、还可提高储氢瓶组的利用率。（1）分级加注增压加注是指通过一组(个)储氢瓶组向车载储氢气瓶充装气体至一定压力，其不足压力和容量由压缩机补充，一般用于加气间隙时间较长的加注。（2）增压加注4.4氢气加注技术加氢机典型硬件系统示意图3.氢气加注设备氢气加注设备主要为35MPa/70MPa加氢机，一般都遵守SAEJ2601氢燃料电池加注协议，在其制定过程中综合考虑了充装过程中的升压控制、预冷要求、管路压降、气瓶充氢过程的压缩产热及管路中的焦耳汤姆逊效应。35MPa/70MPa加氢机硬件包括单向阀、过滤器、截止阀、调压阀、流量计、安全泄放阀和加氢枪等组成。其中调压阀主要用来调节车载储氢瓶加注压力，流量计用于计量加氢量，同时系统管路中装有压力和温度传感器，检测加注过程中的压力和温度的变化。此外，加氢机上还应设置与加氢站配套的自动控制装置和通讯装置。4.4氢气加注技术加注过程中的车载储氢气瓶温度和站压力的变化曲线4.氢气加注控制影响加气过程的主要因素包括：1）环境温度；2）站压力和氢气温度；3）车载储氢气瓶的尺寸、类型、起始和加注过程的温度和压力。右图所示为车辆在加注过程中的车载储氢气瓶温度和站压力的典型变化曲线。该曲线可分为启动时间段、主加注时间段和关机时间段。从加氢枪连接到车辆开始进入启动时间段。在启动期间段，由于连接脉冲，站压力会经历波动。当氢气开始流入车辆时，主加注时间段开始。在此期间，压力和温度升高。加注控制策略的设计应保证储氢气瓶内任何一点的温度在加注过程中不超过最大操作温度。最后一个阶段是关机时间段，待氢气停止流动后断开加氢枪。4.4氢气加注技术70MPa氢储存系统加注边界条件4.氢气加注控制为提高加氢速率，加氢站需要提高加氢压力，但是随着车载储氢瓶压力快速升高，会导致温度快速上升，降低储氢瓶寿命，加大发生爆炸危险的可能性。现有标准和规范规定，高压存储系统的最高温度为85℃。该温度上限限制了加氢速率、峰值填充压力。将氢气冷却后进行加注可解决这类问题。根据SAEJ2601，将氢气温度冷却至-40℃将大大减少燃料电池汽车的氢气加注时间，3min内可以充满70MPa系统，与传统汽车的燃料加注时间相当。右图所示为70MPa氢储存系统加注的边界条件：最高温度85℃、最大工作压力87.5MPa（加注压力的1.25倍）和100%密度等级。最佳的加注过程是在上述边界条件的限制下，在最短的时间内加注70MPa氢气。主要内容四氢气输运与加注技术二制氢技术三储氢技术一概述五

氢能应用技术六氢安全5氢能应用技术氢能可以通过燃料电池或内燃机转化为电能或热能，是重要的能源燃料和储能介质，也是重要的工业原料，常用于交通运输、发电、储能等领域。5.1

氢燃料发动机四冲程氢内燃机的基本原理以氢气为燃料，经过燃烧将氢气中的化学能转化成机械能的装置。氢内燃机可以是往复活塞式内燃机或三角转子内燃机。往复活塞式内燃机按照一次做功的冲程数可分成四冲程内燃机和两冲程内燃机进气行程→压缩行程→做功行程→排气行程1.氢燃料内燃机纯氢内燃机与液体燃料相比，氢气作为气体无需经历蒸发雾化过程，因此能够更快地充满燃烧室。此外，氢气能够更快速地与空气混合均匀，有利于形成均匀混合气，并且其低点火能量和高燃烧速率使其比碳氢化合物更加适合燃烧。相比于汽油，氢气燃烧速度快，在发动机中接近定容燃烧，因此燃烧效率高。氢气自燃温度为858K，不易被压燃，一般采用点燃的着火方式。氢气的辛烷值为130，燃料抗爆性好，因此氢内燃机可以采用比汽油机更高的压缩比来提高热效率。1.氢燃料内燃机掺氢内燃机氢气在内燃机中的另一个应用方向是将少量氢气与其他燃料混合，以改善内燃机性能并减少污染物排放。相比于纯氢内燃机，掺氢内燃机所需的氢气量较少，避免了存储大量氢气的问题，并且对现有内燃机的基础结构改装较小。另一方面，掺氢还能充分利用氢气良好的理化特性，有利于提高内燃机整体的燃烧稳定性。因此，通过掺混氢气，可以改善各种常见发动机燃料（如汽油、柴油、天然气等）的燃烧性能。汽油掺氢内燃机柴油掺氢内燃机天然气掺氢内燃机5.1

氢燃料发动机氢燃料燃气轮机工作原理压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应升高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的氢气混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了氢气的化学能部分转化为机械功，并可带动发电机输出电功燃气轮机的效率及联合循环为了提高燃气轮机的效率，基于能量梯级利用原则，可采用高效燃气-蒸汽联合循环机组，以合理利用排气温度，提升循环效率2.氢燃料燃气轮机5.1

氢燃料发动机定义：燃料电池是一种能量转换装置，它通过电化学反应将燃料的化学能直接转换成电能。以氢气或富氢气体为燃料的燃料电池称为氢燃料电池工作原理：阳极氢气发生氧化反应，生成H+和电子。H+通过电解质传输至阴极，电子通过外电路传输至阴极，在阴极与氧气发生还原反应生成水，并释放出热量分类：燃料电池可按照电解质进行分类，也可按照工作温度分类5.2

氢燃料电池1.氢燃料电池的分类及原理质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其操作温度低、功率密度高、启动快、对负载变化响应快，更加适用于运输动力和可携式电源。一个典型的PEMFC单元由质子交换膜、催化层、扩散层和双极板等组成质子交换膜：质子快速传导的通道，同时还起到阻隔阴阳极气体和电子的作用气体扩散层：传递反应气体与产物，传导电子并对电极提供机械支撑作用催化层：降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率双极板：支撑膜电极，提供氢气、氧气和冷却液流体通道，并分隔氢气和氧气，收集并传导电流，还承担燃料电池的散热和排水功能5.2

氢燃料电池2.单电池关键部件膜电极膜电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)由聚合物电解质膜（质子交换膜）、催化层和扩散层组成。膜电极内部的物质传递过程包括质子传输、电子传输、气体传输和水传输。目前已经实现工业化应用的膜电极有两类，一类是将催化剂涂覆在气体扩散层上，称为气体扩散电极（GasDiffusionElectrode,GDE）；另一类是将催化剂涂覆在质子交换膜上，称为催化剂覆膜电极（Catalyst-CoatedMembrane,CCM）5.2

氢燃料电池2.单电池关键部件(a)GDE型膜电极(b)CCM型膜电极单电池的输出电压范围仅为0.6~1.0V，在实际应用中，通常将一定数量单电池组成燃料电池电堆来提升电压和输出功率。典型电堆主要由多组单电池、集流板、绝缘板、端板以及必要的密封件和紧固件组成集流板：用于收集电堆产生的电流，为外部负载提供电能绝缘板：位于集流板和端板之间，起到绝缘的作用端板：对电堆中的膜电极和双极板施加足够的夹紧压力，以实现良好的密封性并减小接触电阻密封件和紧固件：密封件主要包括密封垫圈，密封双极板与膜电极之间的气体区域。螺栓或钢带是电堆装配中常用的紧固件5.2

氢燃料电池3.燃料电池电堆5.2

氢燃料电池3.燃料电池电堆燃料电池水热管理是维持燃料电池高效稳定运行的关键增湿：燃料电池系统的加湿技术主要有自增湿和外增湿。自增湿技术是指充分利用电堆内部生成的水进行加湿，其技术手段包括自增湿流场设计、复合自增湿膜、新型膜电极结构设计及优化气体流动方式等；外增湿技术是指在反应气体进入电堆之前完成加湿过程，需要借助于额外的加湿器，其方法简单、易于控制、便于安装和维护，广泛应用于实际系统中。排水：通过采取适当的尾气排放策略来将液态水排出。其主要原理是通过一定的排放策略，使反应气体以适当的流速流经电极和流道，通过夹带效应和蒸发效应将液态水从电池排出。目前的一些排水技术有过量气体吹扫排水、脉冲排水、新型流场结构排水、重力排水等。热管理：燃料电池运行过程中，不可避免地产生一定的热量。产生的热量若不能及时移除，局部温度过高将导致膜的含水量下降、欧姆阻抗增大，进而造成膜的耐久性和电池性能下降；若温度过低则会降低催化剂活性，对电池性能造成不利影响，同时更易出现电极“水淹”现象。因此，保持电堆在一定温度范围内工作十分必要。目前，常见的电堆冷却方式有边缘冷却、空气冷却流道冷却、液体冷却等。电堆是整个燃料电池系统的核心，但电堆只是能量转换的场所，无法实现反应气体的供给与电能的控制等功能，需要其他子系统与辅助设备来完成一个完整的燃料电池系统除电堆外，通常还需要氢气供给系统、空气供给系统、热管理系统、控制系统等辅助系统各子系统的协调控制是实现燃料电池系统高性能和长寿命运行的关键4.PEM燃料电池系统5.2

氢燃料电池氢气供给系统保障燃料电池正常运行，需要持续不断地向电堆供给加湿的燃料气体。氢气供给系统有流通模式、死端模式和循环模式三种空气供给系统由空气滤清器、压缩机、中冷器、增湿器、供气管道、背压阀等组成热管理系统主要包括散热器、循环水泵、冷却水箱、节温器、温度检测和控制设备等。冷却液流经电堆时，会带走电堆中多余的热量，冷却液的热量通过散热器散失到空气中系统控制器对燃料电池系统运行中的各环节进行协调、检测和控制，保证系统运行的可靠性和高效性。控制系统不仅控制燃料电池电堆的各种参数，而且还控制电堆与负载以及其他系统之间的电气连接与通信5.2

氢燃料电池系统关键零部件空气压缩机：对进入电堆的空气加压，增加燃料电池阴极氧气分压来提高氧气的传质效率氢气循环装置：氢气循环泵和引射器作为再循环模式中的关键部件，可以提高氢气利用效率和优化电池水热管理能力。增湿器：对反应气体进行加湿，分为外增湿与内增湿两种。膜增湿器是大功率增湿器之一，利用温暖潮湿的尾气对反应气体进行增热增湿，膜一侧通过湿热气体，另一侧通入干冷气体，在膜表面进行湿热交换5.2

氢燃料电池氢能的用途广泛，发展前景广阔，主要应用场景有氢能交通运输设备、氢能发电、氢能储能、工业领域、航空航天等领域氢能交通运输设备：包括乘用车、商用车、轨道交通和船舶等多种运载工具，具有能量转换效率高、零排放、低噪音等优点。2014年，丰田公司的第一代氢能车MIRAI上市销售，成为了世界上首批量产的燃料电池汽车。此外，氢燃料电池在轨道交通领域和船舶领域也有很大的发展。2023年，我国首艘氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟1号”完成首航，标志着我国燃料电池在内河应用船舶实现零的突破氢能发电：燃料电池热电联产是一种清洁高效的新型供能方式。2021年，我国首个“氢进万家”智慧能源示范社区落户佛山市南海区丹灶镇，致力于燃料电池分布式热电联产设备的市场化氢能储能：氢气储能通过电解水制氢等方式，将能源以氢能的方式储存起来。氢能作为一种新型的储能介质，热值高，具有很高的应用潜力，可以作为不同能源之间转化的枢纽。5.3

氢能应用主要内容四氢气输运与加注技术二制氢技术三储氢技术一概述五氢能应用技术六

氢安全6氢安全技术相较于常规能源，氢气有较多不利于安全的特性，如氢气在空气中具有较宽的燃烧范围（体积分数为4.1%-74.1%）和较小的点火能量（0.02mJ），且氢气还具有引发氢脆、易泄漏和易扩散等性质，这些特性导致氢能在利用中的各个环节都存在较大的火灾和爆炸风险。为更好地了解氢安全知识，本节将从氢事故种类、氢脆、氢泄漏检测技术等方面对氢气安全进行介绍。6.1氢事故总类氢气在空气中具有较宽的燃烧范围（体积分数为占约4.1%~74.1%）和较小的点火能量（0.02mJ）氢气具有引发氢脆、易泄漏和易扩散等性质，导致氢能在利用中各个环节都存在较大的火灾和爆炸风险高压是其中最为突出的风险要素，无论是高压制氢、高压储氢还是高压运氢环节，如遇到高温、氢脆破坏或外部撞击等，极易引发氢气的泄漏和扩散，甚至更为严重的火灾和爆炸事故。氢的典型事故种类有泄漏、火灾和爆炸等。4.1%74.1%可燃浓度(体积浓度)最小点火能量0.02mJ氢泄露氢火灾氢爆炸根据气体泄漏源压力与环境压力的比值，泄漏产生的气流可分为不同的类型，而高压储罐管道泄漏一般会形成高压欠膨胀射流为探究泄漏源附近的浓度场和速度场变化情况，通常假定泄漏过程是一个气流绝热膨胀至大气压的过程，引入虚拟出口，采用自由射流模型进行分析氢气的泄露理论模型有小孔泄漏、名义泄漏口、气体射流/羽流基于虚喷管法的泄漏模型1.氢泄露6.1氢事故总类6.1氢事故总类不管以何种方式储氢，由于结构疲劳、连接处老化或其他原因，都可能会发生氢泄漏意外。在外界点火源的作用下，易发生火灾、爆炸事故由于储氢压力高，一旦发生喷射火，影响范围可能会达到数十米若高压氢气泄漏后被点燃（外部点火源或氢气自燃）则很可能引发喷射火，在火焰传播的初期，距离喷嘴一定距离处会形成马赫盘，其背面出现扁平火焰，随后喷嘴处的火焰逐渐消失，而由马赫盘下游的火焰继续传播并最终形成喷射火。马赫盘：当气流以超音速和低于外部大气的压强离开喷嘴时发生的一种气体现象，呈现等间距圆环的形状氢喷射火焰马赫盘火焰2.氢火灾爆炸是指物质或系统的一种极为迅速的能量转化（或称能量释放）过程，在此过程中，一种形式的能量以剧烈的方式转化为包括机械功以及光和热辐射等另一种或几种形式的能量氢气容易发生火焰加速与爆燃转爆轰的现象，能在不同环境中发生，例如管道、封闭空间在高压液化氢储存时遇到的爆炸现象是沸腾液体膨胀蒸气爆炸。诱导原因是外部火焰烧烤液氢容器壳体，导致容器壳体失效而突然破裂。高压液氢释放到大气中，迅速汽化并被点燃形成近乎球形的燃烧云。氢气罐爆炸氢气管道爆炸3.氢爆炸6.1氢事故总类6.2氢脆氢脆是指溶于材料中的氢，聚合为氢分子，在材料中引起如氢致裂纹、氢鼓泡和形成氢化物等不可逆的氢损伤。当在外加载荷的作用下，氢在缺陷处发生局部的富集，导致材料的塑性降低，引发氢致延迟断裂。氢脆只可防，不可治。氢脆的机理尚不完全清楚，但很多因素会影响氢脆速度，如压力和环境温度，氢的纯度、浓度和暴露时间，以及材料的应力状态、物理和机械性能、微观结构、表面条件和裂纹前端的性质等。白点形成细小的裂纹环境氢脆金属或合金可能在气态氢的环境中发生塑性变形，导致表面裂纹增加、延展性损失和断裂应力下降反应氢脆由吸收的氢与一种或多种金属成分发生化学反应引起的反应氢脆，例如氢与钢中的金属元素或碳形成脆性金属氢化物或甲烷。高温会诱发这种现象的发生内部氢脆由氢吸收引起的内部氢脆，导致某些金属过早失效，内部开始出现裂缝。1.氢脆类型6.2氢脆氢脆的发生使材料在服役过程中面临着巨大的安全隐患。氢脆导致的滞后裂纹的形核与扩展使得材料在服役过程中难以被正确评估与预测，因此很容易突然脆性破坏，造成灾难性的事故。金属(或合金)的强度越高，由氢引起的劣化敏感性越大内部和环境氢脆率在73~27℃的温度范围内最大，而反应氢脆在高于室温的温度下发生钢对氢脆的敏感性随氢气纯度的增加而增加脆化的敏感性通常随拉应力的增大而增加脆化通常会·由裂纹扩展导致金属疲劳在临氢环境中，许多金属和合金的力学性能可能发生相当大的劣化2.氢脆的危害及影响因素6.2氢脆表面和表面薄膜的影响临氢设备或零部件通常采用电火花加工孔、深槽、窄缝和切割薄片等，在这种过程中，放电电离使用的介电流体（通常是植物油或煤油）分解产生的氢可能被带入加工件中，可能增加氢脆。氢可能被捕获在金属结构内的各种位置，包括位错处、晶粒和相界、间隙或空位群、氧或氧化物夹杂物、碳化物颗粒和其他材料缺陷。在低温下捕获现象最明显，不同温度中氢捕获导致的氢脆程度不同。金属的氢相容性在决于金属表面光洁度。通过去除机械加工层，可以最小化表面开裂和延展性损失。在金属表面上天然形成的氧化物能够限制氢的吸收，这是由于它们的渗透性低于金属。铜和金在较宽温度范围内保持延展性，通常被用为降低氢吸收的合成表面膜。电火花加工的影响氢捕获点的影响2.氢脆的危害及影响因素6.2氢脆减少材料在制备过程中的氢溶入降低环境中的氢浓度，缩短在含氢环境中保持的时间抑制氢在材料中的扩散，选用合适的加工温度、载荷和形变速率表面处理，如喷丸、钝化处理、镀覆处理等适当的合金化和热处理，获得抗氢脆的微观组织减少应力集中，如对机加工件进行去应力退火等对产生氢脆的零件进行去氢处理3.氢脆的防控6.2氢脆6.3氢泄漏监测与控制掌握有效的氢气泄漏检查方法至关重要，这是保障氢气使用安全的关键环节及时发现并处理氢气泄漏问题，保障人员安全和设备安全，确保氢能产业的可持续发展在制氢、储氢、加氢和用氢等临氢设备、管道集中布置区域内，应设置高灵敏度氢气浓度检测及报警系统，系统的设置应充分考虑泄漏后氢气的扩散特性、风速、周围环境等多种因素的影响，实现氢气的有效检测及报警。1.氢泄露感知6.3氢泄漏监测与控制催化型传感器又可以分为催化燃烧型和热电学型，其工作原理是通过可燃气体和氧气在催化传感器表面反应并释放热量。热传导型传感器是利用不同气体导热系数的不同来产生电学传感信号。电化学型传感器是检测在传感电极上发生的电化学反应导致的电荷传输或电气特性的变化，结构类似于电池。电阻型传感器是根据半导体材料或金属材料与氢气接触反应电阻产生变化这一原理来设计的。功函数型传感器是将电子从固体表面移至无穷远所需要的最小能量，通常以eV为单位。机械型传感器根据氢气被金属吸收时会占据金属栅格的缝隙，导致栅格膨胀（如钯金属）的原理制成。光学型传感器是利用某些材料与氢反应时其光学特性会发生变化的原理。声学型传感器通常利用压电材料在表面或内部吸收气体后声波特性的改变。氢探测器可分八类：催化型、热传导型、电化学型、电阻型、功函数型、机械型、光学型和声学型1.氢泄露感知6.3氢泄漏监测与控制在密闭或通风不良的受限空间，即使非常小的氢气泄漏速率也会导致氢浓度上升，在开放空间或通风良好的室内空间，即使氢气泄漏的流量速率很高，氢气浓度的上升也会较慢，且在一个相对低的浓度达到平衡。实际情况会非常复杂，场地内存储氢气的总量、氢气的泄漏速率、场地的通风情况、泄漏点的位置、局部区域的稀释效果、是否有阻挡等，都会影响整体和局部、动态和静态的氢气浓度。误区：氢气泄漏可以靠人的感官发现氢气常见的误区事实：氢气探测器应安装在泄漏风险最高的区域，例如管道接头、阀门附近，同时需要定期校准和维护，确保长期精确工作。

正确做法：合理规划氢气探测器布局，并根据实际风险和环境条件进行动态调整。事实：氢气无色、无味、无嗅，泄漏后肉眼和嗅觉完全无法察觉。即使燃烧后火焰也几乎“隐形”，仅靠人的感官不仅危险，还可能大幅延误处置时间。正确做法：必须依赖专业的检测设备，例如便携式气体探测器、在线式气体探测器。误区：只要安装了探测器就高枕无忧2.氢泄露监测与控制6.3氢泄漏监测与控制报警系统要考虑现场情况的复杂性和传感器的准确度，灵敏度和响应速度的差异，留给应急响应的必要时间。用于防爆目的的可燃气体探测系统的浓度报警阈值通常设定为爆炸浓度下限（LEL）的25%)，氢气在空气中的LEL是4%)（体积百分比），因此通常氢气传感器的设定报警值为1%)。选择氢气浓度传感器需考虑的因素包括但不限于准确度、可靠性、交叉灵敏度、可维护性、计量、零点漂移、量程（上限和下限）、响应时间、恢复时间或不可恢复时间、主动或被动技术（是否需要电源）、系统兼容性等。报警系统要考虑现场情况的复杂性和传感器的准确度要优化设置氢气浓度探测器的位置和数量除了固定式的氢浓度传感器及其探测系统，现场的工作人员也应该随身携带便携式的氢气探测器。推荐的固定式氢气浓度探测器安装位置包括可能出现氢气泄漏或溢出的位置、日常操作需要分离的连接处（如加氢口）、氢气可能聚集的位置、在氢气可能经过的建筑进风或排风通道内。2.氢泄露监测与控制6.3氢泄漏监测与控制隔离泄漏区域排除危险因素并加强通风，加快氢气扩散，降低窒息危险

使用专业气体检测仪器对泄漏区域进行氢气浓度检测，确保浓度降至安全水平采用特殊的吸收剂或吸附材料对泄漏的氢气进行吸收或吸附，彻底消除泄漏物

在整个处理过程中，操作人员应穿戴专业的防护装备，确保人身安全氢气泄漏的常见处理措施有：2.氢泄露监测与控制6.3氢泄漏监测与控制6.4国内外氢能源安全事故典型案列思考韩国——氢燃料公交车加氢时爆炸挪威——加氢站爆炸萍乡——载有155个氢气罐货车侧翻美国——氢转运设施事故佛山市举行加氢站突发事件应急演练第七章电力系统储能教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材《储能导论》主要内容7.4储能电站电池管理系统7.2储能系统设计的基础理论7.3储能系统的架构与关键设备7.1概述7.8电力系统储能与能源互联网7.6储能电站的安全与监控7.7电力系统储能优化机制7.5储能电站电气系统7.1.1电力系统储能背景第一次能源革命：火第二次能源革命：化石能源（煤、石油，二次能源电力），缘起于18世纪60年代英国的产业革命第三次能源革命：核能，20世纪40年代，以可控核反应堆的发明为标志，第三次能源革命拉开序幕第四次能源革命：新能源，1973年第一次石油危机的发生，预示着石油时代的终结以及一场新的能源革命即将开始。石油价格不断攀升当代社会电能已成为最广泛的能源形式。能源是人类发展的核心要素。能源革命：主要指人类在能源开发利用和加工转换过程中取得的重大突破。针对化石能源短缺和枯竭的预期，以及全球气候变化的现实威胁，20世纪90年代以来，清洁能源利用的呼声日渐高涨。作为负责任的大国，我国提出了“双碳”目标。CO2目标影响7.1.1电力系统储能背景电力储能在新型电力系统中发电，输电，配电，用电4个环节中都发挥了重要作用。7.1.2电力系统储能的作用电力储能是新型电力系统的主要组成部分电力储能可以实现电能在时间和（或）空间上的转移，有效解决新能源大量接入下存在的波动性间歇性等问题。1.发电侧储能平抑风电发电侧储能主要为短中持续时间储能。快速调频、抑制低频振荡、自动发电控制(automaticgenerationcontrol，AGC)、平滑新能源出力波动、新能源出力计划跟踪、新能源出力爬坡控制；中长持续时间储能应用包括：微网黑启动、提供冷、热备用等。平抑光伏跟踪计划出力曲线7.1.2电力系统储能的作用7.1.2电力系统储能的作用2.电网侧储能优化新能源并网电网侧储能主要为短中长持续时间储能。优化新能源并网延缓输配电线路阻塞延缓设备升级优化潮流分布等。延缓设备升级3.用户侧储能