氫能概論

　　本書以新能源科學與工程專業人才培養方案為基礎，結合氫能企業對高級應用型人才的需求進行編寫，涵蓋氫能產業的各個關鍵環節。透過「製氫－儲氫－輸氫－用氫－安全」的全產業鏈框架，旨在幫助讀者掌握氫能產業的核心知識與最新應用現狀，深刻理解其在新能源領域的重要性。

　　首先介紹氫與氫能的基本特點，闡述氫的性質及其在能源應用中的優勢。接下來，透過詳細分析多元製氫方法，包括煤氣化、天然氣重整、水電解及太陽能製氫等，展現氫製備技術的多樣性與技術進步。此外，亦深入探討氫能儲存技術，包括氣態、液態、固態儲氫及有機液體儲氫，提供了不同儲存方式的理論基礎和實際應用案例。

　　在氫能輸送與加注方面，本書詳細介紹高壓氣態氫、液態氫及摻氫天然氣管道輸送技術，並探討各種輸送方式的效率與挑戰。對於加氫站的分類與設計，書中也給出了全面解析，為未來氫能基礎設施建設提供參考。

　　本書還重點介紹氫能在燃燒、燃料電池及能源化工領域的應用，涵蓋從氫燃氣輪機到氫內燃機，以及燃料電池在交通、發電等領域的實踐案例，展現氫能在減碳與能源轉型中的潛力。同時，跨領域應用如電子行業、鋼鐵行業及醫療健康領域的氫利用，也突顯了氫能的多功能性與創新應用價值。

　　為保障氫能應用的安全性，最後也探討了氫的危險性分析、事故預防與應急處理措施，並介紹國際氫安全技術規範，確保讀者能夠全面掌握氫能利用的風險管理與安全技術。

　　本書內容層次分明，結合最新研究成果與實際案例，提供氫能領域的系統性知識與應用指南，適合新能源科學與工程相關科系學生、氫能產業從業者及對氫能感興趣的讀者。
 

編者簡介

李漢勇

　　能源工程系副教授、碩士生指導教授，長期從事氫能利用技術、摻氫及純氫管道輸送技術、液氫加氫站工藝技術等領域的教學和科學研究工作。發表核心科技論文30餘篇，主編教材4部。

侯燕

　　碩士生指導教授。主要從事相變傳熱傳質及太陽能熱化學製氫方向的研究工作。發表SCI論文11篇，授權發明專利4項。

張偉

　　能源工程系教授、碩士生指導教授，長期從事相變換熱強化與相變儲能、氫能利用技術、電池運行安全與熱管理、太陽能與地熱能高效利用等領域的教學和科學研究工作。累計發表學術論文80餘篇，獲得專利授權12項。

徐超

　　大學教授。主要研究方向：（1）太陽能高效轉化與利用；（2）儲能與氫能技術熱管理等。發表SCI論文130餘篇，獲授權發明專利20餘項。
 

2.2 天然氣製氫

天然氣是用量大、用途廣的優質燃料和化工原料。天然氣化工是化學工業分支之一，是以天然氣為原料生產化工產品的工業。天然氣通過淨化分離和裂解、蒸汽轉化、氧化、氯化、硫化、硝化、脫氫等反應可製成合成氨、甲醇及其加工產品（甲醛、醋酸等）、乙烯、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷等。全球每年有約7000萬t氫氣產量，約48％來自天然氣製氫，大多數歐美國家以天然氣製氫為主。中國由於天然氣進口量巨大，使用天然氣製氫的比例低於煤製氫。天然氣製氫技術路線包含天然氣水蒸氣重整製氫、甲烷部分氧化法製氫、天然氣催化裂解製氫及CH4／CO2乾重整製氫等。

2.2.1 天然氣蒸汽重整製氫

甲烷是天然氣的主要成分。甲烷化學結構穩定，在高溫下才具有反應活性。天然氣蒸汽重整（Steam Methane Reforming，SMR）是指在催化劑的作用下，高溫水蒸氣與甲烷進行反應生成H2、CO2、CO。蒸汽重整工藝是目前工業上應用最廣泛、最成熟的天然氣製氫工藝。發生的主要反應如下：

蒸汽重整反應：CH4＋H2O↔CO＋3H2（ΔH＝+206.3kJ／mol）（2-1）
變換反應：CO＋H2O↔CO2＋H2（ΔH＝-41.2kJ／mol）（2-2）

重整反應為強吸熱反應，所需熱量由燃料天然氣及變壓吸附解吸氣燃燒反應提供。對甲烷含量高的天然氣蒸汽轉化過程，當水碳比太小時，可能會導致積炭，反應式如下：

2CO＝C＋CO2（ΔH＝-172kJ／mol）（2-3）
CH4＝C＋2H2（ΔH＝+74.9kJ／mol）（2-4）
CO＋H2＝C＋H2O（ΔH＝-175kJ／mol）（2-5）

大規模的工業化裝置中，為節省裝置成本，主要採用高溫高壓反應模式；中國製氫裝置普遍採用的重整壓力為0.6～3.5MPa，反應溫度為600～850℃。天然氣蒸汽重整工藝流程包括天然氣預處理脫硫、蒸汽重整反應、CO變換反應、氫氣提純等。