日本氫能技術發展現狀

賈 光

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 能源戰略計劃

“能源戰略計劃”[1]由日本政府(GOJ)制定，旨在向公眾展示日本能源政策基本法案下的日本能源政策的方向，指出了加速實現氫能社會的以下5項措施：

a)推廣使用家用燃料電池系統。目標是2020年達到140萬套，2030年達到530萬套。

b)加速創造有利于燃料電池汽車市場的環境。通過監管改革和支持措施，大力推廣建設加氫站(主要是四大都市區)。

c)實現氫氣發電等新技術，全面利用氫氣。不僅要發展家用燃料電池系統和燃料電池，還要擴大氫發電。

d)促進氫生產、儲存和運輸技術的發展，以穩定氫氣供應。通過使用工業過程產生的副產物氫氣或通過重整天然氣/石腦油供應氫氣能夠滿足現階段的要求，但為了全面利用氫，還需要開發其他工藝并進行商業化。

e)制定路線圖以實現氫能社會，包括與生產、運輸、儲存和使用氫氣有關的各個關鍵環節。如使用先進技術大規模儲存和長途運輸氫氣、燃料電池系統、氫能發電等。

2 氫和燃料電池戰略路線圖及意義

日本經濟產業省于2013年12月成立了“氫和燃料電池戰略委員會”，該委員會通過與工業界、學術界和政府的合作來研究未來氫能利用的理想方法。2014年6月23日，“氫和燃料電池戰略委員會”編制了氫和燃料電池戰略路線圖[2]，其中包含了實現氫能社會應采取的措施。

2.1 實現“氫能社會”的3個階段

第1階段，氫氣使用的大幅擴張。大幅擴大家用燃料電池系統和燃料電池汽車的使用，占據氫和家用燃料電池系統全球市場的領先地位。為提高氫能認可度，東京都政府決定，2020年奧運會和殘奧會的運動員村將被建成一個“氫鎮”，在那里電力和熱水將通過氫能源供應。

第2階段，全面引入氫能發電/建立大規模供氫系統。進一步擴大對氫的需求，同時擴大氫源的范圍，從而建立新的二次能源結構，使氫氣成為與電和熱(氣)并列的二次能源。

第3階段，通過改進制氫工藝建立全碳零排放的氫能供應系統。將氫氣制造技術與碳捕捉與儲存技術(CCS)相結合，或利用可再生能源制氫，以便在整個氫氣制造過程中實現零碳排放。

2.2 實現氫能社會的意義

路線圖是由理事會在工業界、學術界和政府部門共同參與編制的，并作為日本政府用來促進實現氫能社會的具體措施。實現氫能社會的意義如下。

a)節約能源。利用家用燃料電池系統實現高能量轉換效率，有助于節約能源。

b)政治風險低。氫氣是可以增強日本本土能源供應安全的資源，未來利用日本的可再生能源制造氫氣也可能增加能源自給率。

c)減輕環境負擔。在使用過程中，氫氣不會釋放出CO2。利用這一特性，將制氫技術與碳捕捉與儲存技術相結合，或利用來自任何可再生能源制氫，將減少甚至消除整個供應鏈中的CO2排放。然而，如果氫是由化石燃料(如煤)生產而沒有碳捕捉與儲存技術，則會顯著增加整體CO2排放。

d)促進產業發展和振興區域經濟。日本有強大的全球性家用燃料電池系統領域的競爭力。例如，日本是該技術領域專利申請數量最多的國家，其提交的專利數量是第二排名國家的5倍，遠遠超過其他國家。此外，日本擁有豐富的風能等可再生能源，可用于制造氫氣。

3 站內制氫與站外制氫

生產氫氣主要有兩種方法：一種是在加氫站現場(站內)進行H2生產；另一種是中央(站外)H2生產，隨后分配到加氫站。目前，氫生產的主要技術是天然氣的蒸汽重整，蘇打電解的副產物，以及電解水制氫，其中電解水過程中使用的電能主要來源于可再生能源發電或傳統發電廠過剩的電力。除了這些來源之外，從太陽能和高溫氣體核反應堆獲得的熱能也將發揮重要作用。

圖1 站內制氫和站外制氫加氫站的氫氣來源

受本國自然資源稟賦限制，日本更傾向于利用國外化石燃料制氫，并通過船舶將能源運輸回日本[3]。這樣一方面可以降低日本氫能源使用成本，另一方面可以降低日本本土的CO2排放。原因在于日本政府承諾，與2013年相比，2030年CO2減排26%，2050年CO2減排50%[4]。

如圖1所示，日本使用的所有化石燃料都是從海外進口，然后運往火力發電廠，它們的過剩能量可以通過水電解轉化為氫氣。另一方面，根據未來的氫需求，這些化石燃料可以在中央生產場所使用，直接轉化為氫氣，然后需要將氫氣輸送到氫氣加注站。同樣，水電、光伏(PV)和輕水核反應堆的過剩電力也能轉化為供給站外制氫加氫站的氫氣。

由于電力傳輸的成本遠低于氫氣直接輸送的成本，因此與站外制氫相比，站內制氫(采用電解水的方式制氫)可以有效降低成本。在加氫站與城市連接的地方，也可以使用天然氣管道或液化石油氣輸送網絡進行氫氣輸送。

4 新型制氫方法

通過熱化學水分解將可再生能源轉化為氫氣的技術是極有吸引力的。目前，日本已提出并研究了多種熱化學水分解循環。如表1所示，兩步“鐵氧體和二氧化鈰”循環是在1 400 ℃的條件下產生氫氣[5]，但是通過兩步法并不能實現連續生產。廣島大學及日本跨部門戰略創新促銷計劃(SIP)正專注于三步堿金屬氧化還原循環，能夠在低于500 ℃的條件下反應制氫[6]。

表1 日本正在研究的熱化學水分解循環

5 氫氣儲運方式

5.1 高壓儲氫和低溫液態儲氫

與壓縮氫氣相比，液氫具有更高的能量密度，因此被認為是氫氣大規模運輸的優選方案。2006年，Iwatani公司開始運營日本的氫氣液化裝置“Hydro-Edge”，該裝置每小時能夠液化約200 kg氫氣。川崎重工的Harima氫氣液化工廠于2014年成立，其液化能力為5 t/d，能夠滿足1 000輛燃料電池汽車的氫能供應。

使用液態氫罐車或拖車每次可以運輸2～3 t液態氫，但液化氫氣消耗的能量約為氫氣能量的30%[7]。此外，由于蒸發損耗，液體氫氣并不適合長期儲存。因此，雖然壓縮儲氫一次只能運輸200～300 kg氫氣，40 MPa的壓縮氣態儲氫仍被認為是氫運輸的重要手段。

5.2 甲苯/甲基環己烷系統儲氫

作為液化或壓縮氣態氫的替代品，Chiyoda提出的一種新型的氫供應鏈概念，將甲基環己烷(MCH)作為有機氫載體(LOHC)[8]。通過氫化反應將氫固定在甲苯上，轉化為甲基環己烷，并使用化學品罐車裝卸和運輸。通過對甲基環己烷進行脫氫反應產生氫氣，氫氣提供給現有的基礎設施，甲苯被回收。理論上，從甲基環己烷產生1 mol氫氣應該需要約60 kJ能量，這相當于氫氣能量的25%。有機氫載體是在常溫常壓下大規模存儲和長距離輸送氫氣的備選方案，與液氫航運方案相比，不但降低了能量損耗，而且不需要投入大量資金建造氫氣液化裝置和液氫專用儲運船舶。

5.3 液氨儲氫

氨是另一種可能的氫能運輸的載體。日本跨部門戰略創新促銷計劃的能源載體項目于2014年啟動，特別側重于高能效的氨和有機氫化物合成技術的開發[9]。因為氨分子的裂解僅消耗約產生氫能量的12%，氨氣被認為是有希望的氫載體。但殘留氨的去除將是非常重要的問題，因即使1×10-6的氨也會嚴重損害質子交換膜燃料電池。

6 家用燃料電池系統

從家用燃料電池系統(Ene-Farm)在住宅和移動環境的使用中可看出，日本的燃料電池技術正處于實際應用和商業化階段。通過城市燃氣提取的氫氣與大氣中的氧氣之間的化學反應產生電力的家用燃料電池系統的數量在2014年達到了10萬多個。該家用燃料電池系統不是純氫燃料電池系統，其使用城市燃氣(天然氣)運行，因這種燃氣很容易在每個燃料電池系統內重整為氫氣。

典型的家用燃料電池系統的成本約為150萬日元，發電量為0.7 kW，效率超過80%，遠高于電能和熱能的效率(均為40%)。與使用來自火力發電廠的電力以及使用城市燃氣的熱水供應和供熱的傳統方法相比，燃料電池系統將一次能源消耗降低約35%，二氧化碳排放減少約48%。家用燃料電池系統用戶每年可以節約水電費5～6萬日元，減少約1.5 t的二氧化碳排放。

光伏發電和家用燃料電池系統的組合稱為“Double Generation”。在該系統中，白天使用光伏發電，夜間使用來自家用燃料電池系統的電力[10]。

7 結語

在日本政府的支持下，工業界、學術界的共同努力下，在實現氫能源社會目標方面取得了重大進展，正朝著商業化應用的方向邁進。然而，在氫能源推廣應用的過程中，應重視氫氣的危險特性，避免安全事故的發生。

未來，隨著氫能技術的進步和人們對于氫能認可度的提高，氫能在日本乃至全世界能源領域的地位將得到進一步提升。