适读人群 ：新能源、电池领域的研究人员，高等院校新能源、能源动力、电气工程、材料科学、环境科学等专业学生
氢能的开发利用是更快实现碳中和目标、保障国家能源安全、实现低碳转型的重要途径之一。氢能可以作为终端能源应用于电力行业，通过氢燃料电池将化学能转化成电能。氢燃料电池主要应用于交通运输、固定发电、便携式设备和其他领域。其中，交通运输领域是氢燃料电池的需求方，占据了70%的市场份额，主要包括乘用车、公交车、卡车、火车和船舶等。氢燃料电池汽车是氢能在交通领域的核心应用，也是政策重点支持的发展领域。

《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》探索了在能源应用中利用氢的经济和环境意义，同时提供了转化、输送和存储技术的最新内容。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》在学术和产业应用层面上详细阐述了与氢和燃料电池系统有关的技术。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》更新并扩展了氢储存和运输、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、生物燃料电池（包括微生物燃料电池）、在运输和发电厂的应用、远景方案和寿命周期评估等内容。

《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》通过全面覆盖在多学科的能源领域脱颖而出的制氢、储氢和燃料电池等应用方向，详细描述了已开发或正在开发的各种燃料电池技术。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》提供了氢和燃料电池技术的主要基本科学理论，与此同时，以一种深入浅出的方式介绍了上述技术的应用以及如何从技术、经济、管理等方面可持续融入社会。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》反映了最近出现的技术和最有前途技术的市场渗透，并结合当前的挑战和经济趋势，评估了燃料电池技术在未来的发展前景。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》更新并扩展了氢储存和运输、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、生物燃料电池（包括微生物燃料电池）、在运输和发电厂的应用、远景方案和寿命周期评估等内容。
《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》非常适合能源领域的研究人员和专业人士，尤其涉及新能源知识的学术界和工业界的人员阅读，同时也可供工程、物理和环境科学的教师和学生，以及参与能源或环境法规和政策制定的专业人士参考。

Bent S?rensen，丹麦罗斯基勒大学人文与技术系荣誉教授。他曾在美国加州大学伯克利分校、耶鲁大学，日本京都大学，法国格勒诺布尔大学，以及澳大利亚新南威尔士大学工作。他还经营着Novator先进技术咨询公司和面向普通读者的非营利Secantus出版社，并且是IPCC工作组的主要作者。他的研究是跨学科的，已经发表了近1000篇科学文章，并出版了大约40本书，获得过包括著名的欧洲太阳能奖在内的许多奖励和荣誉。

Giuseppe Spazzafumo，意大利卡西诺和南拉齐奥大学土木和机械工程系副教授。他获得了比萨大学机械工程学位和能源系统博士学位。他的主要研究领域是氢能系统。他于1997年创立了意大利氢能论坛，并于2007～2012年担任该论坛主席。他自1999年起担任国际氢能协会（IAHE）董事会成员，并担任氢能理论与工程解决方案国际研讨会（HYPOTHESIS）系列会议协调人。

第3版前言
第2版前言
第1版前言
单位和转换系数
第1章 导言1
1.1燃料电池和氢能可能扮演的角色1
参考文献3
第2章 氢4
2.1氢气的生产4
2.1.1水蒸气重整4
2.1.2部分氧化、自热重整以及干气重整7
2.1.3水电解：燃料电池逆过程8
2.1.4气化和木质生物质转化15
2.1.5生物制氢18
2.1.6光解31
2.1.7直接热或催化分解水36
2.2生产规模相关的问题37
2.2.1集中式产氢37
2.2.2分布式产氢37
2.2.3车载燃料重整38
2.3储氢选项41
2.3.1压缩气体储存43
2.3.2液氢储存45
2.3.3氢化物储存46
2.3.4低温吸附气体储存58
2.3.5其他化学品储存选项59
2.3.6比较储存选项59
2.4氢气运输60
2.4.1容器运输60
2.4.2管道运输61
2.5氢气转化概述61
2.5.1用作能源载体62
2.5.2用作储能介质62
2.5.3车辆燃烧用途62
2.5.4固定式氢气和燃料电池的使用65
2.5.5燃料电池在运输中的用途65
2.5.6直接使用66
2.6问题和讨论66
参考文献67
第3章 燃料电池83
3.1基本概念83
3.1.1燃料电池的电化学和热力学83
3.1.2建模90
3.1.3量子化学方法93
3.1.4在金属表面上水分解或者燃料电池的性能100
3.1.5流动和扩散建模110
3.1.6温度因素113
3.2熔融碳酸盐燃料电池114
3.3固体氧化物燃料电池 116
3.4酸性和碱性燃料电池127
3.5质子交换膜燃料电池130
3.5.1集电器和气体输送系统132
3.5.2气体扩散层135
3.5.3膜层141
3.5.4催化剂作用147
3.5.5整体性能151
3.5.6高温和逆向操作152
3.5.7衰减和寿命153
3.6直接甲醇和其他非氢燃料电池155
3.7生物燃料电池159
3.8问题和讨论161
参考文献162
第4章 燃料电池系统174
4.1乘用车174
4.1.1乘用车整体系统选择174
4.1.2PEMFC和电池-燃料电池混合动力汽车175
4.1.3性能模拟179
4.2其他道路车辆194
4.3轮船、火车和飞机198
4.4发电厂和独立系统202
4.5建筑集成系统204
4.6便携式和其他小型系统207
4.7问题和讨论210
参考文献211
第5章 实施远景方案217
5.1基础设施要求217
5.1.1储氢基础设施217
5.1.2输送基础设施219
5.1.3本地分布219
5.1.4加气站221
5.1.5建筑物集成的概念221
5.2安全和规范问题222
5.2.1安全问题222
5.2.2安全要求223
5.2.3国家标准和国际标准227
5.3基于化石能源的远景方案228
5.3.1远景方案技术和需求建模228
5.3.2全球清洁化石能源远景方案239
5.4基于核能的远景方案257
5.4.1历史和现实的关切257
5.4.2安全核技术259
5.5基于可再生能源的远景方案275
5.5.1全球可再生能源远景方案275
5.5.2详细的国家可再生能源远景方案278
5.5.3新的区域远景方案303
5.5.4不列颠群岛308
5.6问题和讨论327
参考文献327
第6章 社会影响335
6.1成本预期335
6.1.1制氢成本335
6.1.2燃料电池成本336
6.1.3储氢成本339
6.1.4基础设施成本340
6.1.5系统成本340
6.2环境和社会影响的寿命周期分析343
6.2.1寿命周期分析的目的和方法343
6.2.2制氢的寿命周期分析345
6.2.3燃料电池的寿命周期分析349
6.2.4常规乘用车与配备燃料电池的乘用车的寿命周期比较351
6.2.5其他交通工具的寿命周期评估362
6.2.6储氢和基础设施的寿命周期评估363
6.2.7氢系统的寿命周期评估367
6.3不确定性367
6.4问题和讨论369
参考文献369
第7章 结论376
7.1机遇376
7.2障碍377
7.3竞争378
7.4前进道路387
7.4.1可再生能源系统中的储氢387
7.4.2燃料电池汽车388
7.4.3建筑物集成燃料电池389
7.4.4便携式设备中的燃料电池389
7.4.5集中式发电中的燃料电池390
7.4.6效率考量390
7.5我们还有多少时间395
7.6总结与展望397
参考文献398

第3版前言
氢和燃料电池技术领域不再局限于政府支持的项目中的研发工作，而是凭借一些新兴商业市场作为特色。这些仍然是利基市场，其增长远远落后于早期预期，但未来更为光明，因为市场渗透可能独立于公共补贴而实现。燃料电池成本仍然是目标值的两倍左右，但也有买家能接受这一点，因为他们希望参与未来的前瞻性技术。事实上，实际成本离市场目标还要远得多，因为目前燃料电池耐久性只有目标值的一半左右。因此，对于科学家、工程师和商业开发者来说，仍然有很多工作要做。
对于汽车燃料电池应用，早期对全氢燃料箱的行驶里程限制已经不复存在，现在的燃料电池汽车性能与使用化石燃料的汽车相似。《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》提倡的观点是，电池汽车不应该仅仅被视为燃料电池汽车的一个竞争对手，而是一个销售混合燃料电池-电池汽车的好机会，其性能优于这两种技术单独使用。固定式和便携式燃料电池应用正在遵循与车辆应用类似的趋势，但由于开发开始较晚，因此其应用有所延迟。
研究人员仍在为制氢和各种类型燃料电池寻找替代或新的方向，希望找到比现有技术更好的新技术。
《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第3版）》包含所有相关技术的完整更新，以及新的成本和耐久性数据的展示。引入了一个新的市场远景方案，覆盖了不列颠群岛的所有地区。研究发现，爱尔兰和英国的所有地区都可以在100%使用可再生能源的情况下，实现能源自给自足。此外，丰富的海上风力资源可以产生过剩的电力，如果与不列颠群岛地区保持良好的贸易合作，足以满足整个欧盟大陆一半以上的电力需求，从而使欧盟能够实现其气候目标。如果没有对不列颠群岛的这种依赖，欧盟大陆将很难实现理想的可持续能源未来。

Bent Sorensen
Giuseppe Spazzafumo


第2版前言
在写《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用》的第1版时，人们对燃料电池和汽车工业有一种热切信念，即氢燃料电池汽车将在21世纪的第一个十年开始渗透到市场。由于多种原因，这个目标并没有实现。燃料电池的5年寿命和平均批量生产成本10000美元/1kW的目标指标并不是很高，但实践证明在短期内仍然难以达到。燃料电池的5年寿命实际是偏低的，因为受到在制造和资源利用过程中担忧环境影响的刺激，目前汽车工作寿命接近20年。只有5年寿命的燃料电池汽车在寿命周期内必须更换3次，考虑到设备和更换工作，这会大大增加实际成本。同时，在目前市场评估中的另一个因素是实力竞争，竞争对手包括电动汽车、将电池和石油基燃料相结合的混合动力汽车，以及用于运输行业的新一代生物燃料。在本版中，对这些竞争对手相对于氢燃料交通应用的优劣进行仔细评估，同时对其他方面的燃料电池使用也进行了类似的评估。
对于研究人员和燃料电池及相关设备制造商，暂时的挫折不只是负面的，因为它提供了一个机会，重新思考基本设计概念，并提出一些新的想法，也许这些事情在为达到早期目标的狂热追捧中遗留下来，但尚未做处理。幸运的是，相对于较少的氢燃料汽车头条新闻故事，人们并没有放慢在科学和工程方面努力的步伐，《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第2版）》介绍和讨论了许多新的、令人振奋的进展。这个过程中伴随着对电池结构内电化学过程的基本了解，以及车辆和系统概念的发展，战胜了许多挑战，通过在几个方面从传统的可操作性和现有基础设施的布局出发，引入新技术。
考虑到电池和燃料电池技术的结合，《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第2版）》扩大了涉及混合动力系统的内容，而不是着重把它们看作是相互排斥的竞争对手。这被证明是一种合适的组合，无论是使用燃料电池和先进电池的插电式混合动力汽车，或独立的概念，可以实现纯燃料电池或纯电池汽车无法获得的性能和经济性。燃料电池的研发领域已经吸引了一些最有经验的科学家和工程师，我希望《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用（原书第2版）》可以激发这些人的研究兴趣。
Bent Sorensen


第1版前言
这些年来，许多科学家和工程师进入氢和燃料电池领域，是因为其令人兴奋的前景和大量资助。为了应对由于许多石油生产大国政治不稳定、资源的不确定性，以及不断增加的对环境影响的关注，在未来几年内人类的目标是借助于在生产、分配和转换技术的重大变化，改变能源的供应和使用方式。
《氢与燃料电池——新兴的技术及其应用》是为很多本领域的新人写的，对于那些有越来越多专业课程的学生、已经在某些子领域有了深入了解和有所建树的科学家和开发者，他们想从技术到政策因素、经济和环境评价方面了解燃料电池整个领域。我的目的是向具有一定科学背景，但没有特殊的氢和燃料电池经验的人提供一个介绍，以及为读者提供最新的研究和开发的前沿知识，以便把新兴技术