2019年，我國(guó)氫能發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)能源央企紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)，氫能在未來我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位正在逐步顯現(xiàn)。然而，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)政策依然不完善，氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，實(shí)現(xiàn)我國(guó)氫能健康、平穩(wěn)發(fā)展依然面臨諸多挑戰(zhàn)。
日本作為東亞能源消費(fèi)大國(guó)，深耕氫能產(chǎn)業(yè)多年，并且已經(jīng)具備相對(duì)完善的政策、及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，我們可以透過氫燃料電池發(fā)展技術(shù)，透析日本氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展脈絡(luò)。
周杰系國(guó)際清潔能源論壇（澳門）秘書長(zhǎng)，該論壇是“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略中，我國(guó)能源央企出海重要對(duì)外窗口。他長(zhǎng)期從事外交領(lǐng)域工作，對(duì)國(guó)際清潔能源發(fā)展，特別是日本能源體系有深入觀察和研究，現(xiàn)為武漢新能源研究院研究員。
2019年9月18日，為實(shí)現(xiàn)《氫能源基本戰(zhàn)略》和《第5次能源基本計(jì)劃》所提出的國(guó)家氫能發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，日本繼今年3月再次修訂了《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》之后，緊鑼密鼓又出臺(tái)了重磅的《氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》。技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略重點(diǎn)鎖定在燃料電池、氫制備與儲(chǔ)運(yùn)及其氫燃料發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈以及水電解制氫三大領(lǐng)域，共分為十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
燃料電池技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點(diǎn)
氫燃料電池種類繁多，但日本燃料電池技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)主要集中在聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）和固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）兩大類，前者適合汽車動(dòng)力需求，后者則主要用于工商業(yè)發(fā)電或儲(chǔ)能電源。高效、耐用、成本是實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的基礎(chǔ)，技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)是：盡可能減少鉑金催化劑用量，尋找鉑金替代催化劑，燃料電池發(fā)電效率達(dá)到65%以上。
1、動(dòng)力燃料電池技術(shù)（PEFC）：到2030年續(xù)航里程由目前的700公里增加到800公里；最大功率密度由目前的3.0kW/L增加到6.0kW/L；乘用車和商務(wù)車使用年限超過15年；燃料電池系統(tǒng)由2萬日元/kW降至0.2-0.4萬日元/kW；儲(chǔ)氫系統(tǒng)由70萬日元降至10-20萬日元，儲(chǔ)氫量可以達(dá)到 5.7wt%（相當(dāng)于5kg）。具體目標(biāo)是：降低鉑金催化劑用量（0.1g/kW），開發(fā)非鉑催化劑或減少自由基生成的催化劑；電解質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高質(zhì)子導(dǎo)電性、薄型化、低氣體滲透率以及高耐久性；降低氣體擴(kuò)散層的電阻率，從目前的5-10mΩ?cm降至1.5-2.5mΩ?cm，提高透氣性能和疏水性能；電池隔板具耐久性、電阻低、排水好以及沖壓成形工藝優(yōu)良；密封材料須防止氣體通過和冷卻液泄露，提高氣體致密性；開發(fā)能維持100-120℃高溫工作性能的催化劑、載體材料及電解質(zhì)膜；開發(fā)極端環(huán)境下維持正常工作性能及具良好耐久性的相關(guān)燃料技術(shù)，如最低啟動(dòng)溫度由-30℃進(jìn)一步降至-40℃等。
2、固定式燃料電池技術(shù)（SOFC）：到2025年，低壓燃料電池系統(tǒng)成本為50萬日元/kW，發(fā)電成本25日元/kWh；高壓燃料電池系統(tǒng)成本為30萬日元/kW，發(fā)電成本17日元/kWh。具體目標(biāo)是：燃料電池電堆系統(tǒng)發(fā)電效率超過65%（LHV）；電堆壽命由目前的9萬小時(shí)增加至13萬小時(shí)以上（約15年），并大幅縮短啟動(dòng)時(shí)間；提高燃料電池系統(tǒng)的燃料利用率；開發(fā)適用生物質(zhì)燃料等多燃料系統(tǒng)的電堆。此外，燃料電池通用技術(shù)還包括：開發(fā)燃料電池零部件量產(chǎn)化生產(chǎn)工藝技術(shù)；開發(fā)燃料電池能源管理系統(tǒng)；制定對(duì)燃料電池性能和耐久性進(jìn)行加速劣化測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?
3、輔助設(shè)備、儲(chǔ)氫罐及相關(guān)技術(shù)：開發(fā)減少碳纖維用量的移動(dòng)式儲(chǔ)氫罐以及其它容器的高效生產(chǎn)工藝；優(yōu)化包括輔助設(shè)備在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)，并降低成本；開發(fā)燃料電池用于乘用車之外的新用途。
氫制備、儲(chǔ)運(yùn)與發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈
技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點(diǎn)
氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈包括制備、儲(chǔ)運(yùn)與發(fā)電三項(xiàng)技術(shù)。盡管制氫方式眾多，包括化石燃料重整、分解、光解或水電解等。但日本氫制備技術(shù)重點(diǎn)主要放在利用澳大利亞褐煤制氫和國(guó)內(nèi)可再生能源水電解制氫技術(shù)上；從儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)來看，有高壓儲(chǔ)氫、液體儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫以及管道運(yùn)輸氫等多種，但日本將液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)作為發(fā)展重點(diǎn)；純氫燃料發(fā)電是日本未來火力發(fā)電戰(zhàn)略布局最重要的一項(xiàng)技術(shù)，重點(diǎn)是要解決穩(wěn)定燃燒技術(shù)。總體來說，提高能效，降低成本是氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈形成最為關(guān)鍵的要素。
4、大規(guī)模氫制備技術(shù)：開發(fā)高效、低成本的褐煤氣化爐設(shè)備，褐煤氣化制氫成本由目前的幾百日元下降到12日元/Nm3；與此同時(shí)開發(fā)高效的大型電解水裝置。
5、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)：提高氫液化效率，氫液化能耗由13.6kWh/kg下降至6.0kWh/kg；開發(fā)適用低溫氫氣裝運(yùn)的壓縮機(jī)；開發(fā)成本較低的大型輸氫臂；開發(fā)適用于氫燃料發(fā)電的液氫升壓泵；開發(fā)適用于大規(guī)模海上運(yùn)輸或陸上儲(chǔ)存的儲(chǔ)氫罐絕熱材料和冷卻系統(tǒng)；開發(fā)超低溫地區(qū)能夠使用的金屬材料、樹脂材料，并建立相關(guān)技術(shù)評(píng)價(jià)體系；提高氫氣化或脫氫催化劑的性能，減少甲苯用量，由目前的1.4%降至0.7%；利用余熱實(shí)現(xiàn)脫氫工藝低碳化，并降低成本；開發(fā)電解合成等新型催化劑，降低整個(gè)系統(tǒng)成本等。
6、氫燃料發(fā)電技術(shù)：關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)純氫燃燒發(fā)電，重點(diǎn)是開發(fā)防止逆火和燃燒振動(dòng)的技術(shù)。具體來說，開發(fā)低氮、高效、與氫燃料發(fā)電特性相匹配的燃燒器；利用發(fā)電余熱高效實(shí)現(xiàn)甲基環(huán)已烷（MCH）和氨等氫載體的脫氫反應(yīng)，并降低成本。
7、氫加注技術(shù)：設(shè)定2025年加氫站建設(shè)和運(yùn)維成本控制目標(biāo)，建設(shè)費(fèi)由3.1億日元降至2.0億日元，每年運(yùn)維費(fèi)由0.32億日元降至0.15億日元。具體目標(biāo)是：對(duì)通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)無人值守加注站以及相關(guān)設(shè)備配置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；獲取普通金屬材料與氫反應(yīng)特性的數(shù)據(jù)；延長(zhǎng)氫蓄壓器壽命，開發(fā)新的檢測(cè)方法，成本由0.7億日元降至0.1億日元；進(jìn)一步提高加注軟管及密封材料的耐久性；開發(fā)新的溫升控制加注協(xié)議；根據(jù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)加注站設(shè)備規(guī)格統(tǒng)一和操作流程標(biāo)準(zhǔn)化；降低氫壓縮機(jī)成本，由0.6億日元降至0.5億日元，與此同時(shí)開發(fā)電化學(xué)或熱化學(xué)壓縮機(jī)；開發(fā)液氫泵；開發(fā)燃料電池卡車等新應(yīng)用場(chǎng)景下的加注和計(jì)量技術(shù)；開發(fā)容量大、重量輕的儲(chǔ)氫容器，陸地儲(chǔ)氫罐容量由2500m3增加到50000m3，海上運(yùn)輸儲(chǔ)氫罐容量由目前的1250m3增加到40000m3；開發(fā)容量大，耐久性強(qiáng)的儲(chǔ)氫材料。
水電解制氫技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)重點(diǎn)
水電解制氫主要有堿形電解水技術(shù)（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）、堿性陰離子交換膜電解水技術(shù)（AEM）和高溫固體氧化物電解水技術(shù)（SOEC）等。技術(shù)開發(fā)總體目標(biāo)是要求探明電解質(zhì)材料衰減機(jī)理，在降低成本的基礎(chǔ)上提高電解水設(shè)備的效率和耐久性，并能滿足高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、負(fù)荷波動(dòng)快以及快速啟停的需求。
8、水電解制氫技術(shù)：（1）在ALK和PEM電解水裝置方面，設(shè)定了2030年技術(shù)開發(fā)目標(biāo)。開發(fā)擴(kuò)大控制電流密度幅度的技術(shù)，電流密度由目前的1.0-2.0A/cm2增加至2.5A/cm2；能耗由目前的5.0kWh/Nm3降低為4.5kWh/Nm3；通過減少電解金屬用量降低設(shè)備成本，其中堿性電解水設(shè)備由目前的12萬日元/kw降至5.2萬日元/kw，PEM電解水設(shè)備由目前的25萬日元/kw降至6.5萬日元/kw；降低運(yùn)維成本，每年由目前的2.4萬日元/Nm3/h降至0.45萬日元/Nm3/h；衰減率降低到0.12%/1000小時(shí)；降低觸媒金屬用量，鉑金由目前的0.2-0.5mg/w降至0.1mg/w，其它貴金屬由目前的0.5-1.5mg/w降至0.4mg/w，電解槽須提高電極等相關(guān)材料部件應(yīng)對(duì)負(fù)荷變動(dòng)的耐用性。（2）在AEM電解水裝置方面，探明電解質(zhì)材料、催化劑材料衰減機(jī)理，進(jìn)一步提高其耐用性；開發(fā)高效、耐用、低成本的電堆。（3）在SOEC電解水裝置方面，提高電堆的耐用性；開發(fā)低成本電堆制造技術(shù)。（4）在電解水基礎(chǔ)技術(shù)方面，開發(fā)電解水反應(yīng)解析及其性能評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)技術(shù)；開發(fā)包括輔助設(shè)備在內(nèi)的?體化系統(tǒng)優(yōu)化算法；開發(fā)高效、耐用、成本低廉的甲烷氣化裝置等。
9、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)：重點(diǎn)目標(biāo)是推廣利用綠氫。具體內(nèi)容包括：評(píng)估綠氫燃料替代的經(jīng)濟(jì)效益和二氧化碳減排效果；研究氫還原煉鐵技術(shù)等氫能在鋼鐵冶煉行業(yè)的利用潛力；對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)；研究利用現(xiàn)有天然氣管道輸氫的潛力；研究石化企業(yè)聚集區(qū)的綠氫利用和互相融通技術(shù)；開發(fā)電能替代困難的高溫加熱領(lǐng)域?qū)嵭袣涮娲募夹g(shù)；擴(kuò)大氫燃料的應(yīng)用領(lǐng)域等。
10、創(chuàng)新技術(shù)方向：確定了以2050年為目標(biāo)的中長(zhǎng)期技術(shù)開發(fā)方向。具體目標(biāo)是：研究高效電解水、?工光合成、膜分離法制備純氫等新技術(shù)；開發(fā)創(chuàng)新型高效氫液化設(shè)備；開發(fā)長(zhǎng)壽命液化氫儲(chǔ)存材料；開發(fā)低成本、高效、創(chuàng)新型的能源載體及其生產(chǎn)技術(shù)；開發(fā)高效、穩(wěn)定、體積小、成本低的燃料電池創(chuàng)新技術(shù)；開發(fā)利用綠氫和二氧化碳合成化學(xué)品的技術(shù)等。
《巴黎協(xié)定》之后，從低碳化社會(huì)邁向脫碳化社會(huì)的發(fā)展目標(biāo)已成為世界潮流。氫能作為清潔能源不僅廣泛應(yīng)用于交通、建筑、電力、儲(chǔ)能等各行各業(yè)，而且還為鋼鐵、石油、化工等生產(chǎn)制造以及高溫燃燒等難以脫碳的行業(yè)提供了脫碳的有效途徑，成為全面實(shí)現(xiàn)脫碳化社會(huì)目標(biāo)的重要抓手。對(duì)于日本來說，氫能不僅在促進(jìn)能源多元化和能源安全保障方面多了一種選項(xiàng)，更重要的是成為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)脫碳化社會(huì)目標(biāo)的重要戰(zhàn)略資源。因此，日本舉全國(guó)之力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。2019年度的氫能燃料電池技術(shù)研發(fā)預(yù)算達(dá)到5.9億美元，超過了2018年度的4.2億美元，遠(yuǎn)高于歐美國(guó)家。此次《氫能燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》的重磅推出，不僅為日本建設(shè)氫能社會(huì)圈定了破解關(guān)鍵技術(shù)瓶頸的重點(diǎn)，還將引領(lǐng)全球氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)的新方向。
作者丨周杰
編輯丨郭志宏
