低成本的氫將催生一個(gè)以氫為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源的新時(shí)代。
在過(guò)去幾十年中，全球碳?xì)浠�合物能源�?jīng)濟(jì)受到了來(lái)自經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的嚴(yán)重制約。能源需求不斷增長(zhǎng)，化石燃料產(chǎn)能不斷下降，不僅威脅了全球能源供應(yīng)，也給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。因此，尋找碳?xì)淙剂系奶娲�品是一�?xiàng)至關(guān)重要的工作。氫就是一種很有前途的替代品，優(yōu)點(diǎn)頗多。氫在化石能源、核能、可再生能源與電能之間架起了一座橋梁，為能源生產(chǎn)和最終的用途鏈添加了靈活性。人們可以利用可再生能源生產(chǎn)的電力電解制氫，氫可以成為一種低碳足跡的能源載體。此外，氫在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，電解制氫的經(jīng)濟(jì)意義同樣重大。氫也是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成含碳燃料這一工藝過(guò)程的必要元素。因此，如何以可持續(xù)、高效和環(huán)保的方式制氫，是氫經(jīng)濟(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
由于全球能源形勢(shì)的影響，電解水制氫一直是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。它在將零碳電力源轉(zhuǎn)化為各種終端用途的零碳?xì)浜土闾佳醴矫鏉摿�巨大。這一點(diǎn)，在過(guò)去十年中重新引起了人們的重視，不少國(guó)家已經(jīng)擬定了發(fā)展規(guī)劃并開(kāi)展了各種研究，以發(fā)展新的可再生能源利用技術(shù)。但氫經(jīng)濟(jì)的全球化轉(zhuǎn)型不可能一蹴而就，公共投入支持的研發(fā)和氫能基礎(chǔ)設(shè)施的部署將有助于實(shí)現(xiàn)這一愿景。近年來(lái)，歐盟制定了應(yīng)對(duì)2020年及以后能源和氣候變化的目標(biāo)。該目標(biāo)雄心勃勃， 對(duì)能源和交通運(yùn)輸系統(tǒng)的脫碳之路做了長(zhǎng)期規(guī)劃。同時(shí)，能源供應(yīng)安全問(wèn)題也是一項(xiàng)重要的政治議題。這些戰(zhàn)略目標(biāo)都已反映在歐盟委員會(huì)地平線2020議案中，該議案是歐洲2020計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新部分的主體。燃料電池和氫能技術(shù)有可能為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，而且它們也是歐盟能源和氣候議題的技術(shù)主體構(gòu)成部分即SET計(jì)劃的一部分。在過(guò)去十年，這些技術(shù)在效率、耐久性和降本方面都取得了重大進(jìn)展。預(yù)計(jì)在20152020年左右，它們能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)同等的競(jìng)爭(zhēng)力，歐盟為此制定了精細(xì)的績(jī)效目標(biāo)，期待在研發(fā)方面付出足夠的努力后可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。氫能的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始，2012年的市場(chǎng)規(guī)模為7.85億美元，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)在未來(lái)10 ~ 20年間，每年可達(dá)到430億 ~ 1390億美元，這種增長(zhǎng)可以創(chuàng)造出數(shù)十萬(wàn)個(gè)工作崗位。
現(xiàn)在的問(wèn)題是，歐洲如何才能在這個(gè)新興市場(chǎng)中占據(jù)較大的份額，以及在接下來(lái)的幾年必須要做哪些工作。在這一背景下，電解水制氫，尤其是聚合物電解質(zhì)膜電解水制氫技術(shù)有望發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
由此出現(xiàn)了對(duì)電解制氫的需求。電解水制氫是將瞬態(tài)的電能轉(zhuǎn)換為易于儲(chǔ)運(yùn)的化學(xué)燃料的理想選擇。目前，新技術(shù)不斷被創(chuàng)造出來(lái)，現(xiàn)有技術(shù)也不斷得到優(yōu)化，還開(kāi)發(fā)出了眾多耐高溫的新材料。
電解水制氫技術(shù)很適合使用可再生能源來(lái)制氫，該技術(shù)可以根據(jù)制氫系統(tǒng)的輸入功率調(diào)整設(shè)備的功耗。電解水制氫還具有技術(shù)可擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，允許系統(tǒng)在千瓦到兆瓦的功率范圍內(nèi)運(yùn)行。與其他大多數(shù)儲(chǔ)能技術(shù)（如電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）有所不同的是，電解水制氫可以將電能和儲(chǔ)能分離，這在為能源需求與能源供應(yīng)不匹配的地區(qū)設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)時(shí)是非常有用的。
本書(shū)首先概述了基于堿性電解和質(zhì)子交換膜電解制氫和制氧的技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了該技術(shù)的歷史背景和總體概念，包括電解槽的電化學(xué)性能、將單電解槽堆疊成大容量電堆的技術(shù)，以及這些電堆的性能和特點(diǎn)；再詳細(xì)介紹了兩種相關(guān)技術(shù)的工藝流程、配套及輔助設(shè)備情況；最后，介紹了當(dāng)前電解水制氫的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限性、技術(shù)難點(diǎn)及未來(lái)前景也做了介紹和討論。此外，本書(shū)對(duì)高溫蒸汽電解制氫技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，詳細(xì)介紹了該技術(shù)所涉及的固態(tài)電化學(xué)基礎(chǔ)、電解槽的性能和耐久性、現(xiàn)有局限性、技術(shù)難點(diǎn)及具體的運(yùn)行模式。本書(shū)還針對(duì)美國(guó)能源部（DOE）設(shè)定的現(xiàn)有限制和遠(yuǎn)景目標(biāo)，分析了不同儲(chǔ)氫方案的利弊。
讓讀者認(rèn)識(shí)到可再生能源與電解水系統(tǒng)的耦合所帶來(lái)的困難與挑戰(zhàn)是很重要的。本書(shū)對(duì)電解水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電力電子技術(shù)和過(guò)程控制的影響進(jìn)行了全面回顧，包括從氫產(chǎn)能、效率和系統(tǒng)壽命等方面分析間歇性對(duì)電解水制氫系統(tǒng)性能和可靠性的影響；根據(jù)選定的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)質(zhì)子交換膜電解水制氫、堿性電解水制氫和高溫蒸汽電解水制氫等技術(shù)與可再生能源進(jìn)行耦合的適用性進(jìn)行了定性比較。
本書(shū)作者的目標(biāo)是在這一領(lǐng)域出版一本參考書(shū)，討論該技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的一些局限性和對(duì)未來(lái)的展望。因此，本書(shū)全面回顧了新技術(shù)，涵蓋了電解水和高溫電解（材料、技術(shù)）的方方面面，并在性能、成本方面與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較。
最后，我要感謝所有作者的出色合作，及時(shí)提交稿件和修改。非常感謝Waltraud Wuest博士、Heike Noethe博士，他們?cè)诰帉戇@本書(shū)的手稿方面做了出色的工作，感謝來(lái)自德國(guó)魏因海姆的Wiley VCH幫助出版了本書(shū)。


阿加塔·戈杜拉-喬佩克
2014年10月
德國(guó) 慕尼黑