本书首先概述了基于碱性电解和质子交换膜电解制氢和制氧的技术，简要介绍了该技术的历史背景和总体概念，包括电解槽的电化学性能、将单电解槽堆叠成大容量电堆的技术以及这些电堆的性能和特点；再详细介绍了两种相关技术的工艺流程、配套及辅助设备情况；最后，介绍了当前电解水制氢的应用和技术发展，对现有技术局限性、技术难点及未来前景也做了介绍和讨论。此外，本书对高温蒸汽电解制氢技术进行了深入的研究，详细介绍了该技术所涉及的固态电化学基础、电解槽的性能和耐久性、现有局限性、技术难点及具体的运行模式。
本书可供立足于氢能源行业，尤其是从事燃料电池技术研究的工程师阅读参考，也可以作为相关专业高校师生的参考读物。
碳达峰碳中和目标已经影响到各行各业。如果技术路线选择得当，在使用氢能的过程中有可能实现真正的全链条零排放，因此，氢能的利用被视为实现双碳目标的有效路径。而如今水电解技术则是制氢的主要手段。
在过去几十年中，全球碳氢化合物能源经济受到了来自经济和环境等方面的严重制约。能源需求不断增长，化石燃料产能不断下降，不仅威胁了全球能源供应，也给环境带来了巨大压力。因此，寻找碳氢燃料的替代品是一项至关重要的工作。氢就是一种很有前途的替代品，优点颇多。氢在化石能源、核能、可再生能源与电能之间架起了一座桥梁，为能源生产和最终的用途链添加了灵活性。人们可以利用可再生能源生产的电力电解制氢，氢可以成为一种低碳足迹的能源载体。此外，氢在工业中应用广泛，电解制氢的经济意义同样重大。氢也是将二氧化碳转化为合成含碳燃料这一工艺过程的必要元素。因此，如何以可持续、高效和环保的方式制氢，是氢经济中最重要的一个环节。
水电解技术是如今制氢的主要手段，如果采用可再生能源发电制氢，不仅可以实现零碳，而且与其他大多数储能技术（如电池储能、飞轮储能等）有所不同的是，电解水制氢可以将电能和储能分离，这在为能源需求与能源供应不匹配的地区设计能源系统时是非常有用的。
因此，水电解制氢技术在未来有着广阔的应用场景，这也是这本书诞生的初衷。它全面介绍了水电解制氢的技术特点以及困难和挑战，通过本书，读者能够较为全面地了解水电解制氢产业的全景。因此无论产业中的工程师、高校师生，还是相关产业研究人员和政策制定者，都能够从本书中获得有效的信息和灵感。
低成本的氢将催生一个以氢为基础的可持续能源的新时代。
在过去几十年中，全球碳氢化合物能源经济受到了来自经济和环境等方面的严重制约。能源需求不断增长，化石燃料产能不断下降，不仅威胁了全球能源供应，也给环境带来了巨大压力。因此，寻找碳氢燃料的替代品是一项至关重要的工作。氢就是一种很有前途的替代品，优点颇多。氢在化石能源、核能、可再生能源与电能之间架起了一座桥梁，为能源生产和最终的用途链添加了灵活性。人们可以利用可再生能源生产的电力电解制氢，氢可以成为一种低碳足迹的能源载体。此外，氢在工业中应用广泛，电解制氢的经济意义同样重大。氢也是将二氧化碳转化为合成含碳燃料这一工艺过程的必要元素。因此，如何以可持续、高效和环保的方式制氢，是氢经济中最重要的一个环节。
由于全球能源形势的影响，电解水制氢一直是一个快速发展的领域。它在将零碳电力源转化为各种终端用途的零碳氢和零碳氧方面潜力巨大。这一点，在过去十年中重新引起了人们的重视，不少国家已经拟定了发展规划并开展了各种研究，以发展新的可再生能源利用技术。但氢经济的全球化转型不可能一蹴而就，公共投入支持的研发和氢能基础设施的部署将有助于实现这一愿景。近年来，欧盟制定了应对2020年及以后能源和气候变化的目标。该目标雄心勃勃， 对能源和交通运输系统的脱碳之路做了长期规划。同时，能源供应安全问题也是一项重要的政治议题。这些战略目标都已反映在欧盟委员会地平线2020议案中，该议案是欧洲2020计划的研究内容和创新部分的主体。燃料电池和氢能技术有可能为实现这些目标做出贡献，而且它们也是欧盟能源和气候议题的技术主体构成部分即SET计划的一部分。在过去十年，这些技术在效率、耐久性和降本方面都取得了重大进展。预计在20152020年左右，它们能实现与现有技术同等的竞争力，欧盟为此制定了精细的绩效目标，期待在研发方面付出足够的努力后可以实现这些目标。氢能的商业化应用已经开始，2012年的市场规模为7.85亿美元，市场规模增长迅速，预计在未来10 ~ 20年间，每年可达到430亿 ~ 1390亿美元，这种增长可以创造出数十万个工作岗位。
现在的问题是，欧洲如何才能在这个新兴市场中占据较大的份额，以及在接下来的几年必须要做哪些工作。在这一背景下，电解水制氢，尤其是聚合物电解质膜电解水制氢技术有望发挥越来越大的作用。
由此出现了对电解制氢的需求。电解水制氢是将瞬态的电能转换为易于储运的化学燃料的理想选择。目前，新技术不断被创造出来，现有技术也不断得到优化，还开发出了众多耐高温的新材料。
电解水制氢技术很适合使用可再生能源来制氢，该技术可以根据制氢系统的输入功率调整设备的功耗。电解水制氢还具有技术可扩展的优势，允许系统在千瓦到兆瓦的功率范围内运行。与其他大多数储能技术（如电池储能、飞轮储能等）有所不同的是，电解水制氢可以将电能和储能分离，这在为能源需求与能源供应不匹配的地区设计能源系统时是非常有用的。
本书首先概述了基于碱性电解和质子交换膜电解制氢和制氧的技术，简要介绍了该技术的历史背景和总体概念，包括电解槽的电化学性能、将单电解槽堆叠成大容量电堆的技术，以及这些电堆的性能和特点；再详细介绍了两种相关技术的工艺流程、配套及辅助设备情况；最后，介绍了当前电解水制氢的应用和技术发展，对现有技术的局限性、技术难点及未来前景也做了介绍和讨论。此外，本书对高温蒸汽电解制氢技术进行了深入的研究，详细介绍了该技术所涉及的固态电化学基础、电解槽的性能和耐久性、现有局限性、技术难点及具体的运行模式。本书还针对美国能源部（DOE）设定的现有限制和远景目标，分析了不同储氢方案的利弊。
让读者认识到可再生能源与电解水系统的耦合所带来的困难与挑战是很重要的。本书对电解水系统设计、电力电子技术和过程控制的影响进行了全面回顾，包括从氢产能、效率和系统寿命等方面分析间歇性对电解水制氢系统性能和可靠性的影响；根据选定的关键标准，对质子交换膜电解水制氢、碱性电解水制氢和高温蒸汽电解水制氢等技术与可再生能源进行耦合的适用性进行了定性比较。
本书作者的目标是在这一领域出版一本参考书，讨论该技术领域现有的一些局限性和对未来的展望。因此，本书全面回顾了新技术，涵盖了电解水和高温电解（材料、技术）的方方面面，并在性能、成本方面与现有技术进行比较。
最后，我要感谢所有作者的出色合作，及时提交稿件和修改。非常感谢Waltraud Wuest博士、Heike Noethe博士，他们在编写这本书的手稿方面做了出色的工作，感谢来自德国魏因海姆的Wiley VCH帮助出版了本书。
阿加塔·戈杜拉-乔佩克
2014年10月
德国 慕尼黑
本书作者Agata Godula-Jopek拥有化学工程，科学活动营销和管理以及外贸的三个理学硕士学位 - 所有这些都是在她的家乡波兰克拉科夫技术大学获得的。在克拉科夫的波兰科学院物理化学研究所的气态燃料电化学氧化系工作期间，她获得了二元熔融碳酸盐电化学博士学位 - 熔融碳酸盐的电解质。她在德国MTU CFC Solutions完成了博士后研究。2012年，Agata在波兰罗兹理工大学过程与环境工程学院获得了技术科学专业的资格，重点是化学工程。
Agata目前是能源和推进部空中客车集团创新部门的专家。她还被聘为波兰格利维采波兰科学院化学工程研究所的副教授。她撰写了多篇科学出版物和专利。最近，Agata与人合著了一本关于氢存储技术的书。新材料、交通和基础设施。
序
前?言
第1章 引言1
1.1 制氢方法的技术概况9
1.1.1 重整制氢9
1.1.2 电解12
1.1.3 气化13
1.1.4 生物质和生物质衍生燃料的转化14
1.1.5 水分解16
1.2 总结和制氢成本概览17
参考文献22
第2章 水电解的基本原理26
2.1 水分解反应热力学 26
2.1.1 热力学状态函数26
2.1.2 工作温度的选择准则28
2.1.3 电化学水分解28
2.1.4 水分解电压的pH相关性30
2.1.5 水分解电压的温度相关性32
2.1.6 水分解电压的压力相关性33
2.2 电化学水分解的效率38
2.2.1 水分解电解槽/小室：一般特性38
2.2.2 电化学装置的主要能耗来源40
2.2.3 水电解槽的能量效率41
2.2.4 水电解槽的法拉第效率42
2.3 水分解反应动力学43
2.3.1 酸性介质中的半电池反应机理43
2.3.2 碱性介质中的半电池反应机理46
2.3.3 工作温度对动力学的影响47
2.3.4 工作压力对动力学的作用48
2.4 结论49
参考文献49
第3章 质子交换膜水电解51
3.1 导言及历史背景51
3.2 固体聚合物电解质电解槽的概念53
3.3 PEM电解槽/小室54
3.3.1 概述54
3.3.2 膜电极组件55
3.3.3 电流-气体分散层57
3.3.4 垫片59
3.3.5 双极板59
3.4 PEM电解槽/小室的电化学性能60
3.4.1 极化曲线60
3.4.2 单电极的特性62
3.4.3 电荷密度和电极粗糙度63
3.4.4 电化学阻抗谱（EIS）特性66
3.4.5 压力型水电解和交叉渗透现象69
3.4.6 耐久性问题：衰减机制和缓解策略73
3.5 电解槽电堆74
3.5.1 电解槽电堆的不同配置74
3.5.2 PEM电解槽电堆设计75
3.5.3 电解槽电堆的性能76
3.5.4 诊断工具与维护77
3.6 辅助（BoP）系统79
3.6.1 概述79
3.6.2 成本分析80
3.7 主要供应商、商业发展历程和应用81
3.7.1 商业地位81
3.7.2 市场和应用82
3.8 局限、挑战和前景83
3.8.1 用非贵金属电催化剂替代铂84
3.8.2 用非贵金属电催化剂替代铱85
3.8.3 在更高温度下运行的质子膜86
3.8.4 高电流密度运行86
3.8.5 高压操作87
3.9 结论88
参考文献89
第4章 碱性水电解92
4.1 历史背景92
4.2 电解槽单元95
4.2.1 概述95
4.2.2 电解液97
4.2.3 电极和催化剂98
4.2.4 隔膜/分离器101
4.3 碱性水电解槽的电化学性能107
4.3.1 极化曲线107
4.3.2 电解槽性能比较108
4.3.3 高温运行109
4.3.4 高压操作111
4.4 主要供应商、商业发展和应用115
4.4.1 电解槽市场115
4.4.2 商用电解槽设计119
4.4.3 先进电解槽设计124
4.5 结论127
参考文献127
第5章 单元化再生系统131
5.1 简介131
5.2 基本概念131
5.2.1 热力学131
5.2.2 半电池反应134
5.2.3 过程可逆性135
5.3 低温PEM URFC137
5.3.1 原理137
5.3.2 电池结构和URFC堆138
5.3.3 性能139
5.3.4 局限性和展望143
5.4 高温URFC144
5.4.1 原理144
5.4.2 电池结构144
5.4.3 性能145
5.4.4 局限性和前景147
5.5 总结与展望147
参考文献148
第6章 高温蒸汽电解149
6.1 导言149
6.2 技术概述150
6.3 SOEC中的固态电化学基础154
6.3.1 电极极化曲线154
6.3.2 SOEC 电极中电化学、质量和电荷转移的基础知识163
6.3.3 温度在SOEC运行中的作用185
6.3.4 总结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 电堆电化学和热管理198
6.5 限制和挑战201
6.5.1 衰减问题201
6.5.2 系统集成和经济考虑203
6.6 具体操作模式205
6.6.1 加压运行205
6.6.2 可逆操作206
6.6.3 共电解206
参考文献207
第7章 储氢方案面对的限制和挑战216
7.1 导言216
7.2 液态氢219
7.3 压缩氢气223
7.4 低温压缩氢气225
7.5 固态储氢的材料和系统相关问题228
7.5.1 物理储存概述230
7.5.2 化学储存概述235
7.6 总结241
参考文献242
第8章 氢：可再生能源的储存方式246
8.1 导言246
8.2 氢气：可再生能源（RE）的储存方式247
8.2.1 可再生能源：特点及其对电网的影响247
8.2.2 电网储能251
8.2.3 储能用氢气255
8.3 间歇能源供电的电解：技术挑战以及对性能和可靠性的影响258
8.3.1 间歇性对系统设计和运行的影响259
8.3.2 动态运行下的系统性能和可靠性264
8.3.3 通过改进设计和运行管理间歇性272
8.4 集成方案和示例277
8.4.1 自主应用279
8.4.2 并网应用281
8.4.3 高温蒸汽电解与可再生能源的集成285
8.5 技术经济评估287
8.5.1 用于离网应用的氢气287
8.5.2 流动性用氢288
8.5.3 氢能源为电网提供服务的一种方式288
8.6 模拟在经济评估中的作用289
8.6.1 模拟的目标290
8.6.2 模拟的主要输入数据对结果稳健性的影响291
8.6.3 优化和敏感性分析296
8.6.4 用于氢基系统技术经济评估的现有软件产品示例297
8.7 结论298
参考文献299
第9章 总结与展望303
9.1 水电解技术的比较306
9.2 技术发展现状及主要生产厂家307
9.2.1 碱性水电解307
9.2.2 PEM水电解308
9.2.3 固体氧化物水电解308
9.3 材料和系统路线图规范309
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